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器官芯片领军者Hazel Screen教授：重塑体外研究的新可能
2025-07-02 22:14:59 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

随着时间的推移，器官芯片有望成为新药临床前测试的领先模型，迅速加快药物发现进程，并大幅降低新药上市的成本。

器官芯片（Organ-on-a-chip）技术正通过高度模拟人体生物过程，迅速扩大体外测试的潜力。

器官芯片技术旨在弥合培养皿（体外）和动物（体内）测试之间的差距

人体生物学的复杂性带来了一系列研究难题。以疾病为例，在患者身上直接进行实验显然无法接受。作为替代，选择动物实验，除了与人体不同的生物学特性，也带来了道德困境。对于更基本的实验，可以在显微镜下观察人体细胞，但这不可避免地存在局限性。

伦敦玛丽女王大学生物医学工程教授Hazel Screen表示：“我们所做的很多研究都依赖于动物模型，或者培养皿的分离细胞。这两种方法都不是人体本身。人体生理环境不是扁平的玻璃或塑料，也不是小鼠等动物，人体的生理行为存在很大差异。”

除了领导伦敦玛丽女王大学工程学院与材料科学学院，Hazel Screen教授还是该校体外预测模型中心的联合主任，同时领导着英国工程与物理科学研究委员会下一代器官芯片技术的博士培育中心（COaCT）。

伦敦玛丽女王大学生物医学工程教授Hazel Screen

本质上，器官芯片技术旨在弥合培养皿（体外）和动物（体内）测试之间的差距，充分利用两者的优势。通过结合细胞培养、微流控和集成电路（IC），这些微型器件复制了活体器官的物理、化学和生物学特性，为未来的医学科学提供了新的测试平台。

“我认为，器官芯片技术真正关注的是一种预测性体外模型。”Hazel Screen教授说，“所以它是在开发一种能够真正模拟或模仿人类组织、器官的模型，无论是健康状态还是各种疾病状态。基于微流控技术的器官芯片，是人类器官的一种微型化生物工程版本。所以关键问题在于，这个器官的功能是什么，作为一个工程师，我们如何将它们转化为一种设计规范，并构建它们的复制品。”

器官芯片的概念已经存在几十年，但随着基础技术的成熟，近年来其发展势头非常迅猛。器官芯片在病理学和药物发现等领域具有巨大潜力，已成为一个快速发展的研究领域，预计在不久的将来会成为一个价值数百亿的细分行业。但一个小小的芯片究竟如何能够复制历经千年演化的生物组织的复杂结构呢？

随着时间的推移，器官芯片可能成为新药临床前测试的卓越模型，迅速加快药物发现进程，并大幅降低新药上市的成本。

Hazel Screen教授解释道：“我们通常从解构器官开始，观察结构，观察细胞类型。我们也做一些相当硬核的生物学研究，对细胞进行表型分析，观察它们的行为。我们需要了解器官的核心功能、核心行为以及有效运作的方式，以便能够重建它。”

从工程角度来看，微流控或许是最大的挑战。过去十年中，该领域的进步有力推动了“芯片实验室”技术的发展，使得器官功能的复制越来越精确。“如何制造真正完美、一致且可重复的微流控器件呢，它不能有气泡，并且要非常精确地完成其功能。”Hazel Screen教授说。

器官是人体最复杂的组成部分。不同器官的功能也有很大差异，从肺部和心脏负责氧气供应和血液泵送，到肝脏和肾脏处理废物，还有大脑器官负责全面监督并控制中枢神经系统。

人们可能会认为，在芯片上尝试复制器官时，这些生物学知识会转化为复杂的层次结构，需要不同的方法。然而，Hazel Screen表示，情况并非如此。虽然有些器官组织比其它组织更易理解，但同样的器官芯片技术大体上适用于所有组织类型。“我认为在器官的复杂性方面，并没有哪个器官比另一个更难，但我们最初对不同组织的理解程度是不同的。”Hazel Screen教授说。

在该领域，很多方法以及所构建的东西都具有高度的可转译性。

Hazel Screen及其同事在最近发表的一篇论文中，解释了增加器官芯片模型复杂性的新方法，以使它们更接近人类组织。这项发表在Journal of Tissue Engineering期刊上的研究描述了一种通过控制生长因子的空间分布来精确引导细胞行为的新方法。这使得研究团队能够在不同位置重现不同的组织，模拟在健康和疾病中都至关重要的组织界面。

“已有研究开始引入更复杂的体外模型。”Hazel Screen教授说，“随着我们引入这些模型，开始更深入地了解疾病过程。我们已经看到利用器官芯片进行药物发现的机遇，这非常令人兴奋。”

Hazel Screen教授说：“器官芯片将成为破局的关键，使制药公司能够为更广泛的疾病提供治疗方法，同时提供更公平的医疗保健。”

微流控技术是器官芯片的核心部分