芯片上的人

一張肺芯片。

（本文首發于2020年4月16日《南方周末》）

十年前，哈佛大學的研究人員設計并制造出了第一款“器官芯片”，而在最近發表的論文中，他們將這項研究推進了一大步：把8種人體器官的器官芯片整合在了一起。這表明只需幾張U盤大小的芯片，科學家就能以人體級的準確度研究各類疾病，開發各類藥物。

想象一下，使用一個只有U盤大小的裝置，科學家就能模擬接近生理狀態下的人類器官，用于研究疾病和開發藥物。這并不是科幻作品中的想象，實際上，早在十年前，科研人員就設計并制造出了第一款這樣的“器官芯片”。但人體并非只有一個器官，而且由于血液循環等原因，各個器官的狀態還會對其他器官產生影響，因此單個器官芯片的模擬仍然不能如實反映人體內器官的生理狀態。在最近的一項新研究中，科學家將這個領域的研究向前推進了一大步：他們把8種人體器官的器官芯片整合在了一起，并利用這個系統對一些藥物的藥理學特點進行了研究。從某種程度上說，他們制造出了一個簡化版的“芯片上的人”（簡稱“芯片人”）。

策略缺陷

要想研發出一款安全而有效的藥物，科學家往往需要研究相關疾病的機理，以加深對疾病的理解，從而為藥物的設計和篩選提供指導方向。另一方面，篩選或者設計出的藥物還需要通過很多個階段的試驗，對藥物的安全性和有效性進行評估。

在對藥物進行評估時，相關的試驗幾乎都會先在實驗動物上進行，在通過了安全和有效性的評估之后才會進一步推進到人。但實驗動物和人在解剖結構、新陳代謝、壽命長短等諸多方面都有所不同，因此即使某種藥物在實驗動物上有效，也并不一定能保證在人體上就會有類似的效果。研發出一款在動物試驗水平上有效的藥物，制藥企業往往就需要投入巨大的經濟和時間成本，而在這些藥物中，推進到臨床試驗階段后效果不理想的情況可以說比比皆是。同樣的，一種藥物在動物實驗中沒有表現出副作用，并不一定就意味著對人體不會產生不良影響。

而在研究疾病的機理時，由于醫學倫理等方面的原因，科研人員受到的束縛也很大：醫學界不允許為了研究某種疾病，人為讓人患上疾病的情況發生。因此，很多疾病機理的研究都止步于實驗動物。

由于這些因素，無論是從經濟成本、時間成本，還是針對性上看，目前的疾病和藥物研究的策略都存在缺陷。

方寸上的器官

2010年6月，哈佛大學的生物工程學家，該校懷斯生物啟發工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）所長唐納德·英伯（Donald Ingber）領導的團隊在著名學術期刊《科學》上發表了一篇論文，介紹了他們研發出的世界上第一張器官芯片。在這張長寬不足2厘米的芯片上，這些科學家模擬出了一個簡化版的人類肺臟。

這張肺芯片的原理和結構非常簡單。整張芯片由兩條通道、一層膜，外加兩個“氣壓艙”構成?？茖W家首