器官芯片——代替动物实验，加快新药开发，未来生物医学研究的革命

当微技术和生物学结合在一起时会发生什么？我们得到了 Organ-on-a-chip  (OOC)——器官芯片是一项独特的创新技术，旨在在微型设备或芯片上重建组织和器官的结构和功能。组织或器官本身可以通过工程技术或自然获得，并在微流控芯片中生长。

这项技术有望彻底改变生物医学研究，并为传统动物试验提供替代方案。然而，这项技术的研究仍处于初级阶段。

长期以来，动物试验一直被用于科学研究、化妆品试验和药物开发。同时，动物实验造成的痛苦和伤害也引发了伦理问题及思考。

此外，由于人类和动物的生理学不完全相同，对人类使用动物模型也存在局限性。这种差异可能会导致在预测产品的功效和安全性时出现问题。

所以现在真正的问题是，器官芯片技术是动物试验的更好替代品吗？它能加快药物开发吗？

本文我们探讨了将器官芯片技术用于测试目的的可能性，该领域的技术发展方向，以及阻碍发展的局限性。

什么是器官芯片

器官芯片技术将微技术、生物学和工程原理相结合，创建功能性组织模型。这些芯片通常由透明材料制成，并由排列有活细胞的微流体通道组成。

器官芯片器件的创建通常包括使用微制加工技术制造芯片，然后制备细胞培养物，然后将其整合到芯片的微流体通道中。

OOC技术中使用了来自肝脏的工程组织或活组织

一旦样品准备好，就会创建一个动态环境来建立流体流动，并施加机械力来模拟器官的环境。器官芯片设备上还连接了传感器，有助于监测各种参数，如生存能力、新陈代谢和器官的电活动。

通过提供一个模拟天然组织和器官作用的三维环境，器官芯片技术使细胞像在实际器官系统中一样相互作用和交流。

广义上讲，根据芯片上器官的数量，器官芯片技术有两种类型——单器官和多器官芯片系统。

单器官芯片系统由单个器官组成，对探索单个器官的功能非常有帮助。然而，个体器官功能也会受到其他器官的影响，因此研究多器官芯片系统也是至关重要的。

早在在2004年，Kwanchanok Viravaidya、Aaron Sin和Michael L.Shuler研究了芯片上多器官系统。他们的器官芯片装置由四个部分组合，分别代表肺、脂肪、肝脏和其他组织。

通过组织芯片的流体运动，如血液流动。

然而，器官芯片技术的重大突破之一是由哈佛大学维斯生物工程研究所的Donald Ingber领导的。2010年，Ingber和他的团队开发了第一个成功的微工肺芯片。

但是OOC技术与传统的细胞培养有何不同？

器官芯片为什么优于传统细胞培养

传统的细胞或组织培养物用于在实验室中生长和研究细胞。这些方法包括在二维表面上生长细胞，如培养皿或细胞培养瓶，通常在含有必需营养素和生长因子的液体培养基中。

“组织培养”一词由美国病理学家蒙特罗斯·托马斯·伯罗斯（Montrose Thomas Burrows）创造，自19世纪以来就一直存在。然而，器官芯片技术的最新进展使其在许多不同方面超越了传统的细胞培养。

器官芯片技术使研究人员能够模拟人体器官复杂的三维结构和微观环境，这在生理上往往比细胞培养的二维环境更相关。

在培养皿中培养的细胞

三维细胞培养技术包括支架和生物打印。这些已经被用于药物发现，并取代了一些动物试验。然而，它们也有局限性，例如存在不需要的人类来源的激素成分。它们还可能受到批次差异和其他限制的影响。

器官芯片避免了这些问题，也提供了利用微芯片研究器官功能的微型规模的优势。

器官芯片提供的另一个优点是能够重建组织-组织界面。通过允许多种细胞类型的整合，器官芯片可以帮助我们研究细胞间的相互作用、细胞信号传导以及不同细胞群对整体器官功能的影响。

此外，器官芯片技术提供了创建动态条件的能力。芯片可以模拟生理条件，如流体流动、机械力和生物化学梯度。尽管研究人员仍在努力开发这种系统，但在三维细胞培养中复制这些系统更具挑战性。

最后，器官芯片技术提供了并行测试和分析多种药物或化合物效果的能力。这提高了效率，降低了成本，并可以加快药物发现和测试的步伐。

所有这些优势使器官芯片成为生物医学研究的一个很好的候选者，有可能为研究疾病、开发药物和评估毒性提供更准确有效的方法。

动物试验当前面临的挑战

长期以来，由于各种原因，将动物用于药物开发、化妆品配方测试和其他类似用途一直是一个极具争议的问题。其中之一是使用动物供我们使用的伦理问题。动物往往受到恶劣的待遇，在测试过程中几乎总是受到严重伤害或死亡，给它们带来极度的痛苦和折磨。

这就提出了关于动物的道德和人道待遇以及动物权利与人类利益之间平衡的严重伦理问题。许多社会和组织，如负责任医学医师委员会（PCRM）和善待动物组织（PETA），一直在努力结束所有动物试验。

除了伦理问题外，使用动物模型预测人类反应也存在局限性。虽然基本的生物学机制相似，但人类在基因和生理上与动物截然不同。

正如唐纳德·英格伯（Donald Ingber）在接受《自然评论材料》（Nature Reviews Materials）采访时所说，

“动物模型通常用于研究人类疾病和治疗方法；然而，它们模仿人类状况的能力往往有限，尤其是在分子和细胞水平上。为什么我们仍在使用它们？”

药物代谢、疾病表现和免疫反应的差异意味着，在动物身上测试的药物的安全性和有效性不一定会转化的人类身上。

艺术家对DNA分子和维特鲁威人的概念。

此外，动物试验的高成本和耗时也带来了重大挑战。动物测试需要大量的动物，这些动物需要饲养、兽医护理和喂养。此外，必须遵守冗长的实验规程和规定，这增加了费用和时间。

有不少人探索结束动物试验的替代方法，如virto试验、早期人体试验和计算建模，但都有一些局限性，而器官芯片来得正是时候！

器官芯片——及时的替代方案

鉴于器官芯片技术的成功以及目前围绕动物测试的局限性和伦理考虑，器官芯片设备很可能最终取代或消除动物测试的需求。

器官芯片技术高度准确，由于其对人体各种器官功能的极好再现，提供了增强的可预测性，因此使其成为研究人类对毒素、疾病和药物的特异性反应的替代方案。

这反过来又减少了临床前测试的时间和成本，并降低了将研究结果转化为人类受试者时产生不良影响的风险。

一名抗议者举着反对动物试验的牌子

此外，器官芯片技术可用于在单个芯片上并行测试多种化合物和药物，极大地简化了药物开发和发现过程。这种效率降低了与动物试验相关的时间和经济负担，使研究人员能够加快科学研究。

此外，器官芯片技术不会伤害或虐待动物，因为细胞或组织来源于人类，同时人类也不会受到伤害。这种方法几乎消除了动物的痛苦，为动物的权利和福利带来了巨大的胜利。

器官产品的进展、局限性和未来

器官芯片技术的未来发展前景广阔。自2010年取得突破以来，其他器官，如肝脏、心脏和肾脏，已经成功地使用器官芯片技术进行了重建。这些进步使研究人员能够更精确、更相关地研究器官功能、相互作用以及对药物和疾病的反应。

2012年，Ingber和他的团队进行了一项研究，探讨了芯片上肺部微型设备的药物毒性。芯片上的肝脏模型在药物代谢研究和毒性测试中也显示出了良好的前景。