“在這塊巴掌大小的高分子材料里，我們借助3D打印、納米加工等技術(shù)，蓋出模擬人體環(huán)境的‘房子’，將人源細胞或干細胞注入其中，再給‘房子’輸送氧氣、培養液。兩三周后，就能在‘房子’里得到模擬人類(lèi)器官組織的跳動(dòng)的心臟、代謝的肝臟、呼吸的肺……”

10月11日，接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)，東南大學(xué)教授顧忠澤手捧一塊器官芯片娓娓道來(lái)。

器官芯片，不僅“涵養”著(zhù)人體細胞組織，也承載著(zhù)人類(lèi)對藥物研發(fā)的希望和對生命健康的求索。由于具有人源性、成本低、培養周期短等特性，器官芯片可以作為人體組織的“替身”接受藥物實(shí)驗，從而加速藥物研發(fā)進(jìn)程，為精準醫療提供解決方案。

靈感源自一篇科研論文

在顧忠澤團隊研發(fā)的眾多器官芯片中，人工血管芯片近期用于神舟十五號航天員在軌實(shí)驗操作。這不僅是我國首次在空間站在軌實(shí)施的器官芯片項目，也是國際上首例人工血管組織芯片研究。

為了這項探索，中國航天員科研訓練中心和顧忠澤團隊協(xié)同攻關(guān)，迭代制作出了可對抗失重、強振、氣壓變化，并保持血管長(cháng)期活力的人工血管芯片。

器官芯片的雛形，始于21世紀初。2011年，美國成立了微生理系統聯(lián)盟，啟動(dòng)器官芯片研發(fā)，希望用其替代動(dòng)物進(jìn)行藥物測試。

那時(shí)，顧忠澤正處于職業(yè)生涯“瓶頸期”，偶然間讀到的一篇關(guān)于器官芯片的研究論文，為他打開(kāi)了一扇窗。

“器官芯片不僅可用于評估相關(guān)藥物對人體的有效性，還可以針對環(huán)境中的有毒、有害物質(zhì)進(jìn)行評價(jià)?！币粋€(gè)隱約的科研夢(mèng)想由此在顧忠澤心里萌生。

2012年起，顧忠澤帶領(lǐng)團隊開(kāi)始摸索器官芯片的相關(guān)技術(shù)。但現實(shí)比夢(mèng)想“骨感”得多，時(shí)任生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室主任的顧忠澤回憶：“當時(shí)這項研究很前沿，大家對其最新進(jìn)展和應用前景都不了解，有不少研究者望而卻步。但一番評估后，我們還是決定在實(shí)驗室內部立項，支持試制肝臟芯片、心臟芯片、皮膚芯片，開(kāi)展器官芯片各方面技術(shù)的預研?！?/p>

團隊成員、東南大學(xué)副研究員陳早早介紹，相較于動(dòng)物試驗，器官芯片特色明顯：“首先，構建一個(gè)動(dòng)物疾病模型一般需要3至6個(gè)月，甚至數年，但制造一個(gè)器官芯片一般僅需兩三周；其次，一只模式動(dòng)物一般只能做一種藥物試驗，而一個(gè)器官芯片上多則有幾百上千個(gè)獨立測試的單元，可以進(jìn)行幾種或幾十種藥物的多濃度試驗；另外，器官芯片由人體細胞組織構成，和人體對藥物及病原體的反應高度一致?！?/p>

讓細胞沿著(zhù)“腳手架”生長(cháng)

如何讓人體細胞在體外也能像在體內一樣舒適健康地生長(cháng)，最終從結構到功能都接近于真實(shí)的器官？

團隊迎難而上。

“最初做心臟芯片時(shí)，體外培育的心臟細胞往往會(huì )向各個(gè)方向生長(cháng)，細胞的跳動(dòng)狀態(tài)也各不相同，形不成‘迷你’心臟，每次實(shí)驗構建的心臟芯片差異也很大?！标愒缭邕€記得最初試驗時(shí)的曲折。

“能不能搭建一個(gè)‘腳手架’，讓細胞沿著(zhù)‘腳手架’向同一個(gè)方向生長(cháng)？”此前生物材料領(lǐng)域的學(xué)術(shù)積淀啟發(fā)了顧忠澤。

3年里，他帶著(zhù)團隊不斷嘗試各種技術(shù)研究后發(fā)現，利用靜電紡絲技術(shù)編織的納米纖維可讓細胞沿著(zhù)纖維紋路生長(cháng)，團聚得更接近人體器官，且易量產(chǎn)、成本低。

“雖然理論可行，但最初紡出的納米纖維往往會(huì )結滴?！标愒缭缯f(shuō)。

為了解決這個(gè)難題，從2019年起，研究團隊每天在不同的電壓和相差幾十攝氏度的溫度區間，對不同的納米材料進(jìn)行配比，再將納米材料與十幾種培養液融合，以確保紡出的納米纖維均勻、不黏連。

調試了近千種配方后，他們終于得到了質(zhì)量穩定、統一、均勻的細胞外支架。

陳早早記得，那段日子，大家每天天不亮就鉆進(jìn)實(shí)驗室，等下班時(shí)，又入夜了。

細胞外支架的搭建，只是統一了細胞的生長(cháng)方向。細胞在芯片里生長(cháng)，還需要氧氣和營(yíng)養液。

“既然人體有血管，能否為體外細胞搭建仿生血管，用仿生血管為細胞輸送營(yíng)養？”思考了很長(cháng)時(shí)間，顧忠澤靈光乍現。

順著(zhù)這種思路，團隊開(kāi)始研制高精度打印機。他們在一個(gè)個(gè)直徑不到1毫米的迷你器官里，構造仿生血管，又在仿生血管上“雕刻”孔徑為800納米至2微米的小孔，讓營(yíng)養液通過(guò)小孔滲透到細胞中，細胞還不能穿過(guò)小孔“溜走”。說(shuō)起研發(fā)過(guò)程的艱辛，顧忠澤打了一個(gè)比方——“其難度堪比在芝麻粒里雕刻萬(wàn)里長(cháng)城”。

敲開(kāi)市場(chǎng)應用之門(mén)

經(jīng)過(guò)數年前沿技術(shù)驗證和產(chǎn)品研發(fā)，研究團隊在高精度跨尺度三維打印、功能性細胞外支架材料、細胞力成像、人工智能算法等關(guān)鍵核心技術(shù)環(huán)節取得了較大進(jìn)展。

在做出心臟芯片、血管芯片、肝臟芯片、腫瘤芯片、肺芯片的雛形后，2021年，該團隊在東南大學(xué)、江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院和蘇州高新區的支持下，成立了江蘇艾瑋得生物科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“艾瑋得”），加速人體器官芯片及配套自動(dòng)化系統產(chǎn)業(yè)化。

科研成果能否從“書(shū)架”走上“貨架”，還需市場(chǎng)投票?！拔覀兣芰瞬簧籴t院和藥企，但很多藥企不了解器官芯片，沒(méi)少吃閉門(mén)羹?！痹谒奶幣霰诤?#xff0c;艾瑋得商務(wù)經(jīng)理伍曉月敲開(kāi)了恒瑞醫藥的大門(mén)。

今年夏天，恒瑞醫藥的HRS-1893片獲批開(kāi)展臨床試驗。該藥擬用于治療肥厚型心肌病及心肌肥厚導致的心力衰竭。其藥物候選分子體外篩選工作，正是由顧忠澤團隊的器官芯片提供的技術(shù)支撐。

在近一年的時(shí)間里，雙方用心臟芯片累計篩選了9批次上百個(gè)化合物。

“經(jīng)過(guò)多輪篩選，藥物化合物的起效濃度比最初有了很大優(yōu)化。這為后期體內藥效實(shí)驗找到了候選分子?！标愒缭缯f(shuō)。

如今，顧忠澤團隊研發(fā)的器官芯片已應用于疾病建模、藥物篩選、航天醫學(xué)、化妝品評價(jià)等領(lǐng)域。同時(shí)，該團隊正在牽頭起草國家標準計劃《皮膚芯片通用技術(shù)要求》。

“新藥研發(fā)的風(fēng)險越來(lái)越大，創(chuàng )新速度越來(lái)越慢?！鳖欀覞上蛴浾弑硎?#xff0c;“我們希望用器官芯片加速藥物研發(fā)、構建疾病模型，替代動(dòng)物實(shí)驗進(jìn)行化妝品、藥物檢測，推動(dòng)我國生物醫藥快速發(fā)展！”