“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，蓋出模擬人體環境的‘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’里得到模擬人類器官組織的跳動的心臟、代謝的肝臟、呼吸的肺……”
10月11日，接受科技日報記者采訪時，東南大學教授顧忠澤手捧一塊器官芯片娓娓道來。 顧忠澤團隊研發的器官芯片。
器官芯片，不僅“涵養”著人體細胞組織，也承載著人類對藥物研發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”接受藥物實驗，從而加速藥物研發進程，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驗操作。這不僅是我國首次在空間站在軌實施的器官芯片項目，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同攻關，迭代制作出了可對抗失重、強振、氣壓變化，并保持血管長期活力的人工血管芯片。
太空血管器官芯片。左上為模式圖，右上為局部實物觀察圖，左下為芯片內可收縮的血管環，右下為血管內生物分子的熒光標記圖。
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盟，啟動器官芯片研發，希望用其替代動物進行藥物測試。
那時，顧忠澤正處于職業生涯“瓶頸期”，偶然間讀到的一篇關于器官芯片的研究論文，為他打開了一扇窗。
“器官芯片不僅可用于評估相關藥物對人體的有效性，還可以針對環境中的有毒、有害物質進行評價。”一個隱約的科研夢想由此在顧忠澤心里萌生。
2012年起，顧忠澤帶領團隊開始摸索器官芯片的相關技術。但現實比夢想“骨感”得多，時任生物電子學國家重點實驗室主任的顧忠澤回憶：“當時這項研究很前沿，大家對其最新進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，我們還是決定在實驗室內部立項，支持試制肝臟芯片、心臟芯片、皮膚芯片，開展器官芯片各方面技術的預研。”
團隊成員、東南大學副研究員陳早早介紹，相較于動物試驗，器官芯片特色明顯：“首先，構建一個動物疾病模型一般需要3至6個月，甚至數年，但制造一個器官芯片一般僅需兩三周；其次，一只模式動物一般只能做一種藥物試驗，而一個器官芯片上多則有幾百上千個獨立測試的單元，可以進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。”
讓細胞沿著“腳手架”生長
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，最終從結構到功能都接近于真實的器官？
團隊迎難而上。
“最初做心臟芯片時，體外培育的心臟細胞往往會向各個方向生長，細胞的跳動狀態也各不相同，形不成‘迷你’心臟，每次實驗構建的心臟芯片差異也很大。”陳早早還記得最初試驗時的曲折。
“能不能搭建一個‘腳手架’，讓細胞沿著‘腳手架’向同一個方向生長？”此前生物材料領域的學術積淀啟發了顧忠澤。
顧忠澤與團隊工作人員在研討器官芯片技術難點和改進方案（右為顧忠澤）。
3年里，他帶著團隊不斷嘗試各種技術研究后發現，利用靜電紡絲技術編織的納米纖維可讓細胞沿著纖維紋路生長，團聚得更接近人體器官，且易量產、成本低。
“雖然理論可行，但最初紡出的納米纖維往往會結滴。”陳早早說。
為了解決這個難題，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實驗室，等下班時，又入夜了。
細胞外支架的搭建，只是統一了細胞的生長方向。細胞在芯片里生長，還需要氧氣和營養液。
“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養？”思考了很長時間，顧忠澤靈光乍現。
順著這種思路，團隊開始研制高精度打印機。他們在一個個直徑不到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，讓營養液通過小孔滲透到細胞中，細胞還不能穿過小孔“溜走”。說起研發過程的艱辛，顧忠澤打了一個比方——“其難度堪比在芝麻粒里雕刻萬里長城”。
敲開市場應用之門
經過數年前沿技術驗證和產品研發，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、人工智能算法等關鍵核心技術環節取得了較大進展。
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、江蘇省產業技術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（以下簡稱“艾瑋得”），加速人體器官芯片及配套自動化系統產業化。
顧忠澤團隊研發的器官芯片。
科研成果能否從“書架”走上“貨架”，還需市場投票。“我們跑了不少醫院和藥企，但很多藥企不了解器官芯片，沒少吃閉門羹。”在四處碰壁后，艾瑋得商務經理伍曉月敲開了恒瑞醫藥的大門。
今年夏天，恒瑞醫藥的HRS-1893片獲批開展臨床試驗。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支撐。
在近一年的時間里，雙方用心臟芯片累計篩選了9批次上百個化合物。
“經過多輪篩選，藥物化合物的起效濃度比最初有了很大優化。這為后期體內藥效實驗找到了候選分子。”陳早早說。
如今，顧忠澤團隊研發的器官芯片已應用于疾病建模、藥物篩選、航天醫學、化妝品評價等領域。同時，該團隊正在牽頭起草國家標準計劃《皮膚芯片通用技術要求》。
“新藥研發的風險越來越大，創新速度越來越慢。”顧忠澤向記者表示，“我們希望用器官芯片加速藥物研發、構建疾病模型，替代動物實驗進行化妝品、藥物檢測，推動我國生物醫藥快速發展！”
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