在显微镜下观察类器官生长情况

团队研发的太空血管器官芯片 本报记者 谢诗涵 摄

□ 本报记者 谢诗涵 徐冠英

近日，美国环境保护署（EPA）宣布，加速实现“到2035年终止所有由EPA开展或资助的哺乳动物实验”的政策目标，推动毒理学评估从依赖动物模型转向基于人类细胞、器官芯片、人工智能和高通量体外测试的新方法学。

随着“非动物实验浪潮”来袭，器官芯片技术日益受到关注。目前，国内器官芯片领域的研究团队尚属少数。其中，东南大学器官芯片研究院院长、数字医学工程全国重点实验室主任顾忠泽团队“十年磨一剑”，成功推动成果产业化，是该领域极具代表性的团队。近日，记者走进这支团队及其孵化的江苏艾玮得生物科技有限公司，探秘器官芯片究竟如何运作、有什么作用、已用在何处。

盖“智慧房屋”，培育“迷你器官”

一块巴掌大小、分成12个格子、透明的微流控芯片板内，几十个“小米粒”在培养基中自主、同步地搏动。在东南大学器官芯片生物实验室，记者在显微镜下看到神奇的一幕。

“这些是心肌类器官，俗称‘迷你心脏’。类器官是利用人体干细胞在体外培养的三维细胞聚集体，具备人体相应器官的特定功能和结构，相当于器官的微型版本。”艾玮得研发总监张静说，“目前，我们体外培育的‘迷你心脏’最长可以维持180天以上的自发搏动。”

旁边的分析室内，研究人员正用器官芯片智能成像分析仪观察“迷你心脏”。这台团队自主研发的设备，能自动精准对焦并无间断拍摄，以前所未有的清晰度与连续性，立体捕捉并呈现类器官生长过程中的每个细微变化。

顾忠泽介绍，器官芯片技术是在微流控芯片上构建一个微型仿生系统，如同为细胞搭建一个“智慧房屋”。微流控是在微米尺度的通道中精确控制微量流体的技术。因此，这样的“智慧房屋”能提供营养，更能精密控制微环境，实时监测在其中生长的类器官的“生命体征”。

科研人员利用微型仿生系统，能在人体外高效、精准地模拟人体器官对药物或外界刺激的反应。团队发现，在检测药物肝毒性方面，器官芯片达到90%及以上准确率，而传统动物实验的准确率通常在50%—60%。

这为药物研发带来革命性变化。去年9月，恒瑞医药与美国Braveheart Bio公司就Ⅰ类创新药HRS-1893签署独家许可协议，潜在交易总额近80亿元。此药研发过程中，顾忠泽团队利用器官芯片技术，在8个多月内为恒瑞医药筛选9批次、120多个化合物，达到用动物模型难以实现的速度和效果。这也是我国首个采用器官芯片数据进行新药筛选并获批IND（新药研究申请）的新药。

器官芯片能种出“迷你心脏”“迷你肝脏”等类器官，为药物研发加速，也能长出“迷你肿瘤”，助力精准医疗。2020年，南京鼓楼医院胸外科主任王涛团队开始与顾忠泽团队合作，在芯片上成功培育“迷你肿瘤”。王涛告诉记者，不同肺癌患者的肿瘤在生物学特性上千差万别，导致同样的药对不同患者的疗效大不相同。癌症治疗是一场与时间的赛跑，在体外快速培养出“迷你肿瘤”，就为患者创建了专属的“试药平台”，便于开展一定规模的药物试验，快速找到合适的药物，让治疗实现“一人一策”，为患者赢得时间。

一手自主创新，一手技术成果转化

把小小的芯片变成种养细胞的“智慧房屋”，并开展实时监控、后续分析，必须攻克生物材料相容性、三维微结构加工、活细胞长期培养与精准调控等多重难关，涉及生物医学工程、生物学、医学、材料学、微纳加工与微机电系统等多个学科。

2012年，顾忠泽组建跨学科团队，踏上从底层技术开始、完全自主的创新之路。实现细胞外支架材料的精准仿生，突破高精度、跨尺度的三维打印工艺，建立一套全新的、自主的微生理测量与分析方法……10余年来，难题逐一攻克，中国自己的器官芯片技术体系逐步成形。

他们没有停留在技术研发，而是积极开展产业化探索。2017年成立的东南大学苏州医疗器械研究院，聚焦药物研发和筛选、个性化医疗、航天医学等领域，开展器官芯片的仿真构建、生物信息精准测量等研究，为成果产业化打基础。2021年，东南大学采用“团队+技术”整体转移模式，促成器官芯片项目成果转化，催生了艾玮得公司，专注于为市场提供器官芯片、配套装备及解决方案。2024年，东南大学在位于南京的“全国高校生物医药区域技术转移转化中心”设立器官芯片技术成果转化平台，整合多方资源，构建覆盖技术开发、企业合作、人才培养与产业服务的生态，系统推进器官芯片技术的产业化应用。

如今艾玮得已与恒瑞医药、以岭药业等多家国内领先药企建立深度合作，产品、服务进入200余家企业、医院及研究机构。不久前，以岭药业开始使用艾玮得的器官芯片及设备进行药物研究。以岭药业新药研发首席科学家侯云龙说：“药企非常关注行业政策，减少动物实验是大势所趋，我们愿意积极采用新方式来验证药物的安全性和有效性。”

新技术创造新场景、孕育新应用。顾忠泽团队与中国航天员科研训练中心李莹辉团队联合研发的人工血管芯片，随神舟十五号进入中国空间站，开展国际第一例人工血管组织芯片研究。相关研究项目入选2023年度“中国生命科学十大进展”。此后，团队参与研发的多个器官芯片陆续进入太空，开展研究。

开发国内首个应用于生物安全防护三级实验室的全自动化成像系统、牵头制定器官芯片领域首个国家标准《皮肤芯片通用技术要求》、推出全球首个基于肝脏类器官明场图像的AI模型……团队的研发水平与国际先进水平并驾齐驱，且在部分领域实现“领跑”。去年6月，顾忠泽当选国际微生理系统学会亚太区联合主席，团队成员陈早早教授增选为该学会管理委员会24位委员之一。他们是这个权威国际学术机构中仅有的两位中国代表。

持续闯关，前沿技术创造无限可能

顾忠泽团队研发出具有自主知识产权的肿瘤、皮肤、心脏、血管、脑等多种器官芯片，也观察到科创企业陆续加入器官芯片行业。他们认为，器官芯片的推广和产业化还面临着技术持续突破和投资方、产业链、临床认可的多重挑战。

从技术上看，在模拟复杂组织微环境方面，器官芯片仍存在明显局限，培养出来的类器官只能模仿真实器官，无法复制人体器官的所有功能和生理过程。为此，团队正致力于攻克类器官“血管化”“免疫化”等国际难题，构建能模拟人体复杂互动的“多器官联动”系统。今年的任务包括，建设类器官与器官芯片样本库和数据库；发展器官芯片AI大模型；在芯片制备、数据获取、药物评价和药物发现等方向突破若干关键科学和技术难题。

顾忠泽提出，从关键的生物试剂到作为“种子”的高端细胞系，绝大部分仍依赖进口，意味着器官芯片产业底座不够牢固，产业链的自主可控还需加强。此外，前沿技术研发投入巨大，但早期市场狭窄。如果市场化投资机构过于聚焦短期回报，而政策性资金又难以覆盖风险最高的早期阶段，不仅器官芯片，一些尚在萌芽的前沿技术，未来也可能变成“卡脖子”技术。

陈早早坦言，器官芯片的构建与培养是需要高度专业技能的“技术活”。高技术门槛限制了技术的快速推广，但更大的难点在于行业标准缺失。不同实验室用不同方法培养出的“迷你器官”，数据能否互相比较、怎么彼此验证？这些问题都有待解决。

当技术要走向临床，医生的审视更为严谨。江苏省人民医院肿瘤科束永前教授团队在研究利用器官芯片构建包含血管、免疫细胞等多要素的类肿瘤复杂结构，其目的是从根本上理解肿瘤的生存与逃逸法则。团队成员、副教授马玲表示：“在器官芯片内构建这种复杂结构，利用器官芯片获得的结果，目前并不能直接用于指导患者用药。临床决策的‘金标准’，依然是高级别的循证医学证据。”王涛深有同感：“将实验室的潜力技术转化为诊室里的常规工具，这条路真的很长，类器官培养的成功率、成本、质量标准等，都是亟待突破的现实关卡。”

最近两年，国家自然科学基金委员会在国家自然科学基金申请代码中先后增设“器官芯片与系统”和“类器官与人工器官”独立学科，意味着相关领域成为国家基础研究的重点战略布局方向，鼓励更多科研力量投身其中。

闯过一个个技术难关，突破一个个产业瓶颈，器官芯片——这个守护健康的新选项，将为人类打开一个崭新的时代。