方寸之间的小小芯片上,能培养出跳动的“心脏”、呼吸的“肺”、流动的“血管”……人体器官芯片正成为生物医学研究中的热门新工具。这些人体器官芯片,可部分代替动物和临床试验。基于这一技术,科学家们还有更远大的理想:使用数字化手段再现生命和疾病过程,从而实现精准医疗。近日,记者探访东南大学生物电子学国家重点实验室,走近神秘的人体器官芯片和“数字克隆人”。
解密“人体器官芯片”
“人体器官芯片是建立在组织工程和微流控芯片等技术上的,结构看起来很简单。”在东南大学四牌楼校区,生物科学与医学工程学院院长顾忠泽,从实验室里拿出一张宽约2厘米、长约5厘米的透明芯片,上有通道、薄膜和导管。“是不是有点像透明的集成电路?不过,它的管道里流的不是电子,而是液体。”
据介绍,人体器官芯片就是在人体外模拟出人体内部环境——可以是某一组织、某一器官,甚至是多个器官的组合。那么,怎样将人体组织器官“种”在芯片上呢?“简单来说,就是在微流控芯片中搭建一个目标组织或器官的三维模型,通过细胞培养构建出具有三维结构的微型组织和器官。”顾忠泽说。由于培养的组织器官和实现的功能不一样,各类芯片都需要单独设计。
比如,构建心脏芯片时需要模拟心肌组织的跳动,而构建肺芯片时则需要模拟肺泡中的气体交换。目前构建的心脏芯片可以实现连续80天以上的跳动。此外,还有脑芯片、肝芯片、肾芯片、肿瘤芯片、血管芯片、皮肤芯片……科学家正尝试在小小的芯片上“种”出一个个人体组织器官。
“现在,东南大学已经研发出多种器官芯片,在此基础上,我们还将研发多器官集成的芯片系统。”顾忠泽介绍,该芯片系统就像是一个由多个人体器官或组织构成的集成电路,培养液贯穿各个组织器官,从而形成一个小小的“芯片上的人”。而之前有消息称,麻省理工的科学家已将十种人体器官微型模型连接在一起,虽然该系统仅存活了四周,却让科学家测试到常见止痛药对多个器官的影响。
助力个性化的精准医疗
人体器官芯片可以有效模拟人体生理、病理状态的功能,进行部分临床替代试验,对精准医疗有重要意义——科学家已经能使用患者的细胞,制造出一张患者的器官芯片,以寻找最适合患者的药物或者治疗方法。顾忠泽举例道,“比如我们从人的肿瘤里取出细胞放进芯片培养,长成一个微小肿瘤,这样就可以在肿瘤芯片上去做个性化药物试验,我们可以导入药物,观察治疗肿瘤的效果,进行药物筛选。”
除了精准医疗,人体器官芯片还将改变药物研发的模式,极大地降低药物研发成本,“用人体器官芯片来实现替代动物试验将是革命性的。”顾忠泽说。
目前,在苏州高新区和江苏省产业技术研究院的支持下,东南大学苏州医疗器械研究院已在进行人体器官芯片的产业化研究,“我们研发的肿瘤芯片、皮肤芯片已开始迈向产业化。肿瘤芯片跟南京脑科医院、东南大学附属中大医院合作进行临床研究,哥伦比亚大学也在和我们洽谈购买芯片和装置。此外,还跟中国航天员科研训练中心、英国伯明翰大学等多个科研机构进行合作。”
“目前,我们做的还是实体的人体器官芯片,未来,我们希望能构建‘数字克隆人’。”顾忠泽认为,生命科学和医学发展的一个趋势是,使用数字化的手段再现生命和疾病过程。
用“数字克隆人”模拟生命过程
自上个世纪90年代人类基因组计划成功实施以来,无论从个体的单一维度到群体的多维度,还是从健康状态到疾病病理状态,各种生物医学国际合作项目不断涌现,产生了大量的生物医学数据。这些数据揭示了一个基本的规律:生命是数字的。即,动态复杂的生命过程可以用数字化的状态呈现,也可以通过计算来模拟和预测。
顾忠泽介绍,“数字克隆人”,具体来说,就是采集从分子到细胞到组织器官到人体系统的跨尺度、全生命周期的高质量生物医学数据,并通过人工智能、虚拟现实等技术手段,构建个性化、具有自我演绎功能的“数字人”。“它能通过模拟人的生命过程,实现生命科学研究和生物医药产业中的动物和临床试验替代。”
而要实现“数字克隆人”的目标,需要解决两个关键科学技术问题:一是如何采集数据;二是如何使用数据构建模型,模拟生命过程。
顾忠泽说,实验室目前在做几个先导项目,“首先是人体单细胞图谱,我们希望知道人的每一个器官里基因表达的空间信息。其次是器官中的结构与功能信息的关系。只有把这些信息进行有机的融合,才会形成一个数字意义上的‘活’人。还有就是基于人体器官芯片的试验,可以获取细胞、组织和器官层面上信息的关系。所以,人体器官芯片是我们数字克隆人研究中的一个关键技术。”
由东南大学主导的“生物医学大数据重大科技基础设施”也计划在南京江北新区建设。“我们会在那里建设样本库、芯片平台、数据采集平台、虚拟现实平台等。”据悉,该重大科技基础设施建成后,将成为全球最大的生物医学大数据设施,使人们可以从基因、细胞、组织、器官、个体乃至群体水平,全方位解析人体健康,为精准医学的发展起到推动作用。
记者 蔡姝雯 实习生 陶圆
