2023 年 10 月，东南大学的研究团队在精准医疗领域取得了一项引人注目的突破：成功研发出了先进的“人体器官芯片”。

早在 2016 年，人体器官芯片方面的生物医学技术就被达沃斯世界经济论坛评选为“十大新兴技术之一”，而且被认为是中国在生物医药领域需要攻克的关键核心技术。

人体器官芯片技术是什么？

“人体器官芯片”不是单一的科学成就，而是由诸如干细胞科学、生物材料工程、纳米加工技术等多个前沿技术交叉集成而成。

这些芯片是一种在体外构建的高度复杂的器官微生理系统，可以模仿人体组织的各种功能。

这样的设计不仅减少了对动物和人体实验的需求，而且能够更有效地筛选和评估潜在的新药，从而极大地加速了药物研发进程。

在这一技术的突破过程中，纳米材料发挥了至关重要的作用。

纳米材料由于其极小的尺寸和高度特定的物理化学性质，可以在生物系统中模拟细胞结构和功能。

这些纳米材料通常以多种方式被用于构建和支撑人体器官芯片的微结构，提供了更接近于生物体内环境的条件，因而使得药物测试结果更加准确。

灵感源自一篇科研论文

在顾忠泽团队研发的众多器官芯片中，人工血管芯片近期用于神舟十五号航天员在轨实验操作。这不仅是我国首次在空间站在轨实施的器官芯片项目，也是国际上首例人工血管组织芯片研究。

为了这项探索，中国航天员科研训练中心和顾忠泽团队协同攻关，迭代制作出了可对抗失重、强振、气压变化，并保持血管长期活力的人工血管芯片。

器官芯片的雏形，始于21世纪初。2011年，美国成立了微生理系统联盟，启动器官芯片研发，希望用其替代动物进行药物测试。

那时，顾忠泽正处于职业生涯“瓶颈期”，偶然间读到的一篇关于器官芯片的研究论文，为他打开了一扇窗。

“器官芯片不仅可用于评估相关药物对人体的有效性，还可以针对环境中的有毒、有害物质进行评价。”一个隐约的科研梦想由此在顾忠泽心里萌生。

2012年起，顾忠泽带领团队开始摸索器官芯片的相关技术。但现实比梦想“骨感”得多，时任生物电子学国家重点实验室主任的顾忠泽回忆：“当时这项研究很前沿，大家对其最新进展和应用前景都不了解，有不少研究者望而却步。但一番评估后，我们还是决定在实验室内部立项，支持试制肝脏芯片、心脏芯片、皮肤芯片，开展器官芯片各方面技术的预研。”

团队成员、东南大学副研究员陈早早介绍，相较于动物试验，器官芯片特色明显：“首先，构建一个动物疾病模型一般需要3至6个月，甚至数年，但制造一个器官芯片一般仅需两三周；其次，一只模式动物一般只能做一种药物试验，而一个器官芯片上多则有几百上千个独立测试的单元，可以进行几种或几十种药物的多浓度试验；另外，器官芯片由人体细胞组织构成，和人体对药物及病原体的反应高度一致。”

让细胞沿着“脚手架”生长

如何让人体细胞在体外也能像在体内一样舒适健康地生长，最终从结构到功能都接近于真实的器官？

团队迎难而上。

“最初做心脏芯片时，体外培育的心脏细胞往往会向各个方向生长，细胞的跳动状态也各不相同，形不成‘迷你’心脏，每次实验构建的心脏芯片差异也很大。”陈早早还记得最初试验时的曲折。

“能不能搭建一个‘脚手架’，让细胞沿着‘脚手架’向同一个方向生长？”此前生物材料领域的学术积淀启发了顾忠泽。

3年里，他带着团队不断尝试各种技术研究后发现，利用静电纺丝技术编织的纳米纤维可让细胞沿着纤维纹路生长，团聚得更接近人体器官，且易量产、成本低。

“虽然理论可行，但最初纺出的纳米纤维往往会结滴。”陈早早说。

为了解决这个难题，从2019年起，研究团队每天在不同的电压和相差几十摄氏度的温度区间，对不同的纳米材料进行配比，再将纳米材料与十几种培养液融合，以确保纺出的纳米纤维均匀、不黏连。

调试了近千种配方后，他们终于得到了质量稳定、统一、均匀的细胞外支架。

陈早早记得，那段日子，大家每天天不亮就钻进实验室，等下班时，又入夜了。

细胞外支架的搭建，只是统一了细胞的生长方向。细胞在芯片里生长，还需要氧气和营养液。

“既然人体有血管，能否为体外细胞搭建仿生血管，用仿生血管为细胞输送营养？”思考了很长时间，顾忠泽灵光乍现。

顺着这种思路，团队开始研制高精度打印机。他们在一个个直径不到1毫米的迷你器官里，构造仿生血管，又在仿生血管上“雕刻”孔径为800纳米至2微米的小孔，让营养液通过小孔渗透到细胞中，细胞还不能穿过小孔“溜走”。说起研发过程的艰辛，顾忠泽打了一个比方——“其难度堪比在芝麻粒里雕刻万里长城”。

全国首个使用人体器官芯片数据新药获批进入临床试验

东南大学苏州医疗器械研究院、江苏艾玮得生物科技有限公司助力一款新药诞生。该药物成为国内第一个使用人体心脏器官芯片数据进行开发并获国家药监局批准进入临床研究的心脏病领域药物，具有里程碑意义！

HRS-1893片由我国著名药企——恒瑞医药研发，目标是通过特殊机制抑制心肌过度收缩，治疗肥厚型心肌病以及心肌肥厚导致的心力衰竭。

药物研发前期需要大量的体外筛选工作，以确认药物有效性和毒性，调整成分，提升药效。以往，我国的药物研发主要依靠细胞、动物试验。细胞试验存在仿生性差、先导化合物假阳性等问题，动物试验存在花费时间长、试验成本高、与人体临床偏差大等缺点。

此次研发，恒瑞医药慕名委托东南大学苏州医疗器械研究院、江苏艾玮得生物科技有限公司开展体外筛选工作。工作人员基于自主研发的器官芯片技术，评价药物对心脏器官芯片收缩振幅、频率及钙瞬变峰值的影响，在8个多月的时间内成功筛选了数百种化合物，为确定最具有功效性的候选药物提供了重要指导和帮助。

上海恒瑞研发中心副总经理冯君表示：“这次合作高效准确地完成了化合物体外活性和药物选择性的筛选，确定了最高效的药物分子模型。相对于传统试验论证的药物，人体器官芯片验证过的药物在后期临床验证阶段也将大大降低时间和成本！”

推动生命科学和医疗健康产业发展速度

相较于传统的动物试验，器官芯片具有更高的效率和可重复性，对于疾病的研究和药物筛选有着重要的意义。但是，要将器官芯片真正应用于临床，还需要克服许多技术难关。

器官芯片模拟人体器官进行药物测试传统的药物测试通常需要进行动物实验，并且常常存在模型不准确、人体反应与动物不同等问题。顾忠泽团队基于微纳技术和生物技术，研发了各种器官芯片，可以在芯片上模拟心脏、肺、肝脏等器官，并进行药物测试。这种方法可以有效缩短药物研发周期、减少动物实验、提高研发效率。芯片筛选药物更加准确器官芯片不仅可以进行药物测试，还可以筛选药物。

传统的药物筛选方法往往需要大量的试验和人力成本，而且存在一定的误差。而通过器官芯片模拟人体器官进行药物筛选，可以更加准确地判断化合物的毒副作用，从而筛选出更加安全有效的药物。成功研发多种器官芯片顾忠泽团队已成功研发了多种器官芯片，包括心脏芯片、肝脏芯片、肺芯片等。这些芯片可以模拟人体器官的结构和功能。而且，这些芯片还可以在不同的情况下进行不同的实验，比如可以模拟药物在血液中的分布情况，模拟药物在人体内的代谢情况等。

器官芯片的应用前景广阔器官芯片的应用前景非常广阔。目前，已经有多家企业开始使用器官芯片进行药物研发和化妆品评价。同时，顾忠泽团队正在牵头起草国家标准计划，希望通过制定标准，推动器官芯片的应用和发展。结论器官芯片是一种颠覆性的技术，可以为药物研发提供新的思路和方法。通过模拟人体器官进行药物测试和筛选，可以大大缩短药物研发周期、减少动物实验、提高药物研发效率。同时，器官芯片还可以在化妆品评价、疾病建模等领域发挥重要作用。我们期待未来，器官芯片可以更广泛地应用于各个领域，推动我国生物医药的发展。