方寸之間的小小芯片上，能培養(yǎng)出跳動的“心臟”、呼吸的“肺”、流動的“血管”……人體器官芯片正成為生物醫(yī)學(xué)研究中的熱門新工具。這些人體器官芯片，可部分代替動物和臨床試驗。基于這一技術(shù)，科學(xué)家們還有更遠大的理想：使用數(shù)字化手段再現(xiàn)生命和疾病過程，從而實現(xiàn)精準醫(yī)療。近日，記者探訪東南大學(xué)生物電子學(xué)國家重點實驗室，走近神秘的人體器官芯片和“數(shù)字克隆人”。

血管芯片

腦瘤芯片

解密“人體器官芯片”

“人體器官芯片是建立在組織工程和微流控芯片等技術(shù)上的，結(jié)構(gòu)看起來很簡單。”在東南大學(xué)四牌樓校區(qū)，生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院院長顧忠澤，從實驗室里拿出一張寬約2厘米、長約5厘米的透明芯片，上有通道、薄膜和導(dǎo)管。“是不是有點像透明的集成電路？不過，它的管道里流的不是電子，而是液體。”

據(jù)介紹，人體器官芯片就是在人體外模擬出人體內(nèi)部環(huán)境——可以是某一組織、某一器官，甚至是多個器官的組合。那么，怎樣將人體組織器官“種”在芯片上呢？“簡單來說，就是在微流控芯片中搭建一個目標組織或器官的三維模型，通過細胞培養(yǎng)構(gòu)建出具有三維結(jié)構(gòu)的微型組織和器官。”顧忠澤說。由于培養(yǎng)的組織器官和實現(xiàn)的功能不一樣，各類芯片都需要單獨設(shè)計。

比如，構(gòu)建心臟芯片時需要模擬心肌組織的跳動，而構(gòu)建肺芯片時則需要模擬肺泡中的氣體交換。目前構(gòu)建的心臟芯片可以實現(xiàn)連續(xù)80天以上的跳動。此外，還有腦芯片、肝芯片、腎芯片、腫瘤芯片、血管芯片、皮膚芯片……科學(xué)家正嘗試在小小的芯片上“種”出一個個人體組織器官。

“現(xiàn)在，東南大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出多種器官芯片，在此基礎(chǔ)上，我們還將研發(fā)多器官集成的芯片系統(tǒng)。”顧忠澤介紹，該芯片系統(tǒng)就像是一個由多個人體器官或組織構(gòu)成的集成電路，培養(yǎng)液貫穿各個組織器官，從而形成一個小小的“芯片上的人”。而之前有消息稱，麻省理工的科學(xué)家已將十種人體器官微型模型連接在一起，雖然該系統(tǒng)僅存活了四周，卻讓科學(xué)家測試到常見止痛藥對多個器官的影響。

助力個性化的精準醫(yī)療

人體器官芯片可以有效模擬人體生理、病理狀態(tài)的功能，進行部分臨床替代試驗，對精準醫(yī)療有重要意義——科學(xué)家已經(jīng)能使用患者的細胞，制造出一張患者的器官芯片，以尋找最適合患者的藥物或者治療方法。顧忠澤舉例道，“比如我們從人的腫瘤里取出細胞放進芯片培養(yǎng)，長成一個微小腫瘤，這樣就可以在腫瘤芯片上去做個性化藥物試驗，我們可以導(dǎo)入藥物，觀察治療腫瘤的效果，進行藥物篩選。”

除了精準醫(yī)療，人體器官芯片還將改變藥物研發(fā)的模式，極大地降低藥物研發(fā)成本，“用人體器官芯片來實現(xiàn)替代動物試驗將是革命性的。”顧忠澤說。

目前，在蘇州高新區(qū)和江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院的支持下，東南大學(xué)蘇州醫(yī)療器械研究院已在進行人體器官芯片的產(chǎn)業(yè)化研究，“我們研發(fā)的腫瘤芯片、皮膚芯片已開始邁向產(chǎn)業(yè)化。腫瘤芯片跟南京腦科醫(yī)院、東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院合作進行臨床研究，哥倫比亞大學(xué)也在和我們洽談購買芯片和裝置。此外，還跟中國航天員科研訓(xùn)練中心、英國伯明翰大學(xué)等多個科研機構(gòu)進行合作。”

“目前，我們做的還是實體的人體器官芯片，未來，我們希望能構(gòu)建‘數(shù)字克隆人’。”顧忠澤認為，生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)發(fā)展的一個趨勢是，使用數(shù)字化的手段再現(xiàn)生命和疾病過程。

用“數(shù)字克隆人”模擬生命過程

自上個世紀90年代人類基因組計劃成功實施以來，無論從個體的單一維度到群體的多維度，還是從健康狀態(tài)到疾病病理狀態(tài)，各種生物醫(yī)學(xué)國際合作項目不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)生了大量的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)揭示了一個基本的規(guī)律：生命是數(shù)字的。即，動態(tài)復(fù)雜的生命過程可以用數(shù)字化的狀態(tài)呈現(xiàn)，也可以通過計算來模擬和預(yù)測。

顧忠澤介紹，“數(shù)字克隆人”，具體來說，就是采集從分子到細胞到組織器官到人體系統(tǒng)的跨尺度、全生命周期的高質(zhì)量生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)，并通過人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段，構(gòu)建個性化、具有自我演繹功能的“數(shù)字人”。“它能通過模擬人的生命過程，實現(xiàn)生命科學(xué)研究和生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)中的動物和臨床試驗替代。”

而要實現(xiàn)“數(shù)字克隆人”的目標，需要解決兩個關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題：一是如何采集數(shù)據(jù)；二是如何使用數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，模擬生命過程。

顧忠澤說，實驗室目前在做幾個先導(dǎo)項目，“首先是人體單細胞圖譜，我們希望知道人的每一個器官里基因表達的空間信息。其次是器官中的結(jié)構(gòu)與功能信息的關(guān)系。只有把這些信息進行有機的融合，才會形成一個數(shù)字意義上的‘活’人。還有就是基于人體器官芯片的試驗，可以獲取細胞、組織和器官層面上信息的關(guān)系。所以，人體器官芯片是我們數(shù)字克隆人研究中的一個關(guān)鍵技術(shù)。”

由東南大學(xué)主導(dǎo)的“生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)重大科技基礎(chǔ)設(shè)施”也計劃在南京江北新區(qū)建設(shè)。“我們會在那里建設(shè)樣本庫、芯片平臺、數(shù)據(jù)采集平臺、虛擬現(xiàn)實平臺等。”據(jù)悉，該重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建成后，將成為全球最大的生物醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)設(shè)施，使人們可以從基因、細胞、組織、器官、個體乃至群體水平，全方位解析人體健康，為精準醫(yī)學(xué)的發(fā)展起到推動作用。