新藥研發(fā)和試驗是一個(gè)漫長(cháng)且耗資巨大的過(guò)程。為了制造出前景無(wú)限的化合物或者分子，科學(xué)家需要進(jìn)行海量研究。此后，他們還要在動(dòng)物身上進(jìn)行試驗，如果安全有效則會(huì )在人體上進(jìn)行臨床試驗。在這個(gè)過(guò)程中，科學(xué)家需要觀(guān)察藥物的安全性和療效，以及合適的用藥劑量。

　　過(guò)去很長(cháng)一段時(shí)間內，科學(xué)家一直努力試圖簡(jiǎn)化或者加速這個(gè)流程。為此，他們在小型芯片上模擬出人體器官（人工排列人體活細胞，使其模擬完整器官的功能和結構）。這就是所謂的“芯片仿真人體器官系統”（organ-on-a-chipsystems）。在未來(lái)的某一天，這個(gè)系統也許會(huì )代替動(dòng)物試驗，同時(shí)減少人體試驗所需要的步驟和時(shí)間?！禢atureNews》雜志的報道稱(chēng)，這種充滿(mǎn)未來(lái)主義風(fēng)格的愿景正在慢慢變成現實(shí)。

　　這是一個(gè)“真實(shí)”的肺臟，但它不是真的

　　計算機的微芯片由硅樹(shù)脂材料打造而成，而芯片仿真人體器官也建造于這樣的材料之上：科學(xué)向經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)蝕刻打造的模具中澆筑液態(tài)硅膠，模具上有很多槽道，因此硅樹(shù)脂芯片上也就多了很多槽道。在這些槽道里，科學(xué)家安置培育了很多人體細胞。這些細胞從槽道的底部生長(cháng)，而培養液則會(huì )在槽道中流動(dòng)以便為細胞輸送營(yíng)養。于是，科學(xué)家就可以在培養液中加入等待測試的新藥或者其他物質(zhì)，觀(guān)察其與細胞結合之后的情況。

　　一般而言，最基礎的芯片仿真人體器官僅培育一種類(lèi)型的細胞。為了模擬不同器官一起工作的狀態(tài)，科學(xué)家需要為基礎版本芯片仿真人體器官增加新的功能和特性。比如哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所（WyssInstituteforBiologicallyInspiredEngineering）研發(fā)的芯片仿真肺部器官復雜度更高，可以模擬具有呼吸功能的肺部。在他們的實(shí)驗中，工作人員用薄膜隔開(kāi)了硅樹(shù)脂芯片上的槽道，使其構成了兩個(gè)隔室。接著(zhù)，他們在每個(gè)隔室中放入了兩種不同類(lèi)型的肺部細胞：一種可以與薄膜頂部空氣完成氣體交換，一種可以與隔室底部血液完成氣體交換。

　　為了讓這個(gè)芯片仿真肺部器官具備呼吸功能，科學(xué)家不斷向隔室頂部輸送空氣，同時(shí)在隔室底部用液體模仿人體的血液流動(dòng)。這樣一來(lái)，他們就可以觀(guān)察空氣中哪種分子可以進(jìn)入肺部和血液中。這個(gè)過(guò)程模擬的其實(shí)就是人體從空氣中獲取氧氣，然后將氧氣儲存于血液中并輸送給全身細胞。

　　在另一個(gè)實(shí)驗中，哈佛大學(xué)的科學(xué)家還展示了一種抗癌癥藥物對人體的侵害——這種藥物會(huì )導致液體從薄膜的血液一側流向空氣一側。在人體中，這種藥物會(huì )使患者肺部充滿(mǎn)液體，從而導致呼吸困難。

　　生物技術(shù)公司和制藥公司之間的合作為我們帶來(lái)了芯片仿真人體器官系統，以便加速藥品測試過(guò)程。據報道，荷蘭生物技術(shù)公司Mimetas研發(fā)了一種芯片仿真腎臟器官，而三家制藥公司已經(jīng)準備好利用這款產(chǎn)品測試自己的新藥。

　　另外，強生也已經(jīng)對外宣布，計劃利用美國馬薩諸塞州生物技術(shù)公司Emulate的芯片仿真人體器官系統進(jìn)行藥物試驗。值得一提的是，Emulate公司隸屬于哈佛大學(xué)維斯生物工程研究所。報道稱(chēng)，強生已經(jīng)開(kāi)始在模擬人體血栓的芯片仿真人體器官系統上測試藥物，還計劃利用芯片仿真肝部來(lái)觀(guān)察藥物對人體肝臟是否有損傷。血栓和肝臟損害是藥物常見(jiàn)的潛在副作用，通過(guò)芯片仿真人體器官，我們就能更早地發(fā)現藥物的潛在危害。

　　芯片仿真人體器官：潛力無(wú)限的未來(lái)技術(shù)

　　從目前的情況來(lái)看，芯片仿真人體器官系統具有極大的潛力，能從很多方面改進(jìn)現行的藥物檢測流程。

　　首先，在藥物試驗中，芯片仿真人體器官明顯優(yōu)于培養皿?？茖W(xué)家在肺癌的芯片仿真人體器官模型中進(jìn)行藥物檢測時(shí)發(fā)現，芯片仿真人體器官系統預測的最有效劑量和人體臨床檢測中發(fā)現的最有效劑量最為接近，預測結果比培養皿中細胞常規測試中的預測結果要精準很多。這是因為，培養皿中的細胞都平鋪在一個(gè)平面上，而芯片仿真人體器官系統能夠更好地再現人體的三維機構。對于研究類(lèi)似于大腦這樣的復雜器官或者胎盤(pán)這樣很難在其工作時(shí)開(kāi)展研究的器官而言，重現三維結構極為重要。

　　另外，這項新的技術(shù)在精確度上也優(yōu)于動(dòng)物試驗。利用芯片仿真人體器官系統檢測新藥得到的結果比利用動(dòng)物模型檢測得到的結果精確度更高。動(dòng)物研究得出的檢測結果可能具有誤導性：有的藥物在動(dòng)物身上出現不好的副作用，但是在人體上卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題（扼殺了一款優(yōu)秀藥物步入市場(chǎng)）；有的藥物在動(dòng)物身上沒(méi)有任何問(wèn)題，但是在人體卻會(huì )產(chǎn)生副作用（導致昂貴的臨床試驗失敗，或者更糟糕的情況下會(huì )導致公眾遭受藥物有害的副作用）。

　　當然，作為一項研發(fā)中的技術(shù)，芯片仿真人體器官系統還有一些重大障礙需要克服。首先，芯片仿真人體器官的復雜度終究比不過(guò)人體真實(shí)器官，而且該系統也無(wú)法模擬真實(shí)器官被人體內其他不相鄰器官干擾影響的狀態(tài)。比如，芯片仿真人體器官可能無(wú)法完全模擬激素（例如胰島素）改變人類(lèi)肌肉中細胞行為的復雜模式。另外科學(xué)家還在進(jìn)行測試，試圖查清現有的藥物是否能以我們期望的方式在芯片仿真人體器官系統上發(fā)揮作用。

　　不過(guò)這些障礙并不妨礙人們對新技術(shù)的熱情。很多制藥公司和美國國立衛生研究院下屬的美國國家轉化科學(xué)促進(jìn)中心（NCATS）也參與了研發(fā)。據悉NCATS投入大量資金，資助了11款芯片仿真人體器官系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程。如果芯片仿真人體器官能夠證明自身在測試藥物過(guò)程中的優(yōu)點(diǎn)，那么這款技術(shù)便能提高藥物研發(fā)的速度、精準度和性?xún)r(jià)比。這將是醫學(xué)領(lǐng)域的重大改變，而且正在逐步變成現實(shí)。