众所周知，新药研发过程时间长，成本花费巨大，且失败率非常高。始于成百上千的可能对人类健康有积极影响的化合物，医药公司一般花费十余年甚至更长时间耗资数十亿美元进行研发，才能够从这些化合物中得到一两种可进入市场的药物。

现有的常规新药研发方法包括了体外细胞实验、动物实验、临床试验的全流程。其中，细胞实验和动物实验主要起到研究药物机制、毒理和药效的目的。然而，培养皿中的细胞培养和动物实验并不能完全对化合物进行预测，超过90%的药物在真实的人体环境中呈现出差异化的机理、毒性和疗效，导致了药物后续开发的失败和资金时间的浪费。

2019年6月，《Science》杂志刊登了由美国宾夕法尼亚大学的Sunghee EstellePark、Andrei Georgescu和Dongeun Huh共同撰写的综述Organoids-on-a-chip（器官芯片）。该项技术有望成为解决上述新药研发痛点的最有利武器。甚至，相比于传统的仿生学类器官技术，文章指出，器官芯片能够更加精确控制局部环境，于体外模拟人体器官功能单元，在应用前景上更加优越。

人体器官芯片是一门新兴的前沿科学技术，也是一门典型的多学科交叉汇聚技术，对人类健康和生物产业发展具有重要战略意义，吸引了来自政府、科学界和产业界的关注， 被2016年达沃斯世界经济论坛列为“十大新兴技术”之一。

器官芯片（Organs-on-a-chip）是仿生生物学和微加工技术的结合，利用微流控技术控制流体流动，结合细胞与细胞相互作用、基质特性以及生物化学和生物力学特性，在芯片上构建三维的人体器官生理微系统。器官芯片系统能够将微组织/微器官的直径控制在毫米甚至微米级别，并且增强其营养交换，防止微组织/微器官的核心细胞的死亡。简单来说，器官芯片是一种用于体外模拟人体器官功能单元的微型细胞培养系统。

它可在体外模拟人体不同组织器官的主要结构功能特征和复杂的器官间联系，用以预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应，在生命科学和医学研究、 新药研发、个性化医疗、毒性预测和生物防御等领域具有广泛应用前景。2015年Nature杂志发表评论，称器官芯片是未来可能替代动物试验的革命性技术。

人体器官芯片的崛起

人体器官芯片崛起的动力是生命科学领域快速发 展所产生的强烈需求，而以半导体加工方法为核心的 微流控技术与细胞生物学交叉研究的成就积累是其得 以快速发展的重要保障。

长久以来，生命科学和医学 研究的主要目的是为了解析人类生命现象，探究人体 生理活动以及疾病过程，并寻求有效治疗方案。尽管 生命科学领域的快速发展已为改善人类健康发挥了极 其重要的作用，但是1个世纪以来，大量的生物学实 验仍依赖于非常简单的单层细胞培养方式。

研究人员 将不同来源细胞接种在具有刚性的基板上进行培养， 研究观察多种细胞行为。由于人体的复杂性，这种过于简化的研究方式不仅难以反映体内复杂的组织器官 功能特点，更难以反映人体组织器官对外界刺激产生 的真实响应。

虽然动物实验可以提供一定的体内信 息，但仍存在种属差异和对实际人体反应预测能力较 差等显著不足。仅以药物研发为例，美国食品药品监 督管理局(FDA)调查显示，每种新药的研发周期平 均长达10年，费用约为5亿一10亿美元；而约92％的 药物经动物实验证实安全有效之后，在临床人体试验 中失败，从而形成了新药研发领域高投入、高风险和 低产出的尴尬局面。

正是这些迫切需求催生了人体器 官芯片这一新兴技术的出现，同时也为解决上述瓶颈 问题提供了一种基于组织和器官水平的创新研究体系 和系统解决方案。

人体器官芯片的国际发展态势

人体器官芯片研究的早期报道见诸于2004年， 但是，其真正从学术界的广泛重视转为政府及产业界 的介入则是近几年的事，其标志性工作是由哈佛大学 开展的肺芯片研究。科学家Ingber等开发了一种载玻片大小的两层肺芯片，用以模拟人体肺泡的气液界面和肺牵张作用，形成一个类似“呼吸的肺”，这显示了器官芯片 的初级功能化。

几乎在同一时期，我国研究团队也从不 同角度介入这一领域研究，设计开发肿瘤芯片并用于肿瘤转移研究。鉴于器官芯片的独特功能特点和广泛应用前景，该技术一经出现，很快引起了政府部门、科技 界和产业界的高度关注，多国政府陆续设立一系列项目 加速开展人体器官芯片研究。

2011年，美国政府率先宣布启动人体芯片计划 (Human—on—Chip)。该计划由美国国立卫生研究院 (NIH)组建跨部门协作机构国家高级转化科学中心 (NCATS)负责，并联合美国FDA和国防部高级研究 计划局(DARPA)共同推进。人体芯片计划的主要目 的是开发人体芯片用于新药开发和毒性预测领域，计 划投人总计约7500万美元。

近期，美国又在干细胞领 域继续加大布局，支持器官芯片技术用于疾病研究。此外，2017年初，美国空间科学发展中心(CASIS)联 合NCATS和NIH，设立多项基金支持美国国家实验室开 展人体器官芯片空间站试验，以推进新技术，改善人类 健康。2017年4月，FDA作为美国政府官方机构正式宣 布对一种肝脏芯片开展系列测试，以确认其能否获取新 药审批认可的实验数据，进而来代替动物实验。

欧盟是世界最大的经济体之一，近几年对人体器官芯片 相关研究也有大量投入。特别是，欧洲禁止动物用于化 妆品测试等政策的出台，也极大地促进了对器官芯片这 一可能的动物替代性技术的关注。比如，德国柏林工业 大学2010年获得Go．Bio基金支持，欧盟第七框架计划也 包含“人体芯片”项目，以及2016年开始的EU-Tox风 险项目等也包含支持器官芯片的部分。这些资金支持极 大地推进了世界范围内器官芯片领域的研究，同时也吸 引了更多其他项目和机构进人这一全新领域。令人欣慰 的是，近期，我国科技部和中科院等相继在人体器官芯 片领域开展布局，设立不同专项支持，体现了政府部门 和科学界对这一新兴前沿技术的关注和支持。同时， 国际器官芯片领域的主流刊物Lab OFl a Chip自2011年始，连续出版系列专辑介绍器官芯片的最新研究成果。2015年，第一届世界器官芯片大会在美国波士顿召开。

与此同时，由于人体器官芯片具有广泛应用空间和产业化前景，一些企业也纷纷涉足这一高新技术领域， 一个新兴的器官芯片产业正在初步形成之中。Emulate、 CN Bio、CN Bio Innovations等一批致力于器官芯片研发 的新型初创生物公司陆续涌现；大型制药企业和化妆品 公司(如默克、欧莱雅、强生、罗氏和赛诺菲等企业) 也开始介入这一领域，例如辉瑞公司宣布将Draper公司 的器官芯片技术用于药物研发。无疑，人体器官芯片的出现已形成了由政府、学术 界和产业界三方联动的助推模式，显示出世界范围内对这一变革性技术的关注和期待，也使这项技术形成了一 种迅猛发展以及加速转化应用的态势，有可能成为竞争 新一轮科技革命的战略制高点之一。

多器官芯片 

随着器官芯片技术的发展，在芯片上同时构建多个 器官的“多器官芯片”成为当前研究的热点。而人体芯片的最终形式将拥有10种以上的器官类型，包括肝、肠、心、肾、脑、肺，以及生殖系统、免疫系统、血管系统和 皮肤等。人体芯片将能够监控药物对芯片上“人体”的反 应，并最终勘察出药物对不同器官或整个系统的药理和毒 性作用。

“多器官芯片”可在不同功能区域同时构建多个 组织器官，并通过芯片管道(模拟人体血管)相连接口， 模拟人体对特定物质的吸收、代谢、转化和排泄过程Ⅲ1 。目前已有研究者尝试在一个芯片上实现对肠、 肝、皮肤和肾等类器官的长时间共培养，细胞均保持高活性并能够自发形成功能结构，实现系统自稳态。此外， 为实现多器官芯片的信息采集处理，将多模式传感技术与芯片进行集成是未来的发展趋势。已有研究者开发了一种可集成电化学及免疫传感模块的多器官芯片，可同时监测 组织培养微环境参数(pH值、浓度、温度等)及与组织功能相关的可溶性生物标志物。

人体器官芯片的应用领域 

人体器官芯片技术研究的创新思想建立在充分了解 人体的复杂组织器官结构和生理功能特点的基础上，它为药物研发、疾病研究、化学品、毒素以及化妆品测试 等领域提供了一种近生理的体外模型，在多个领域具有广泛应用价值。

药物评价 

药物评价主要是研究药物与人体之间的作用及规律，根据药物吸收、分布、代谢、排泄(ADME)的体内过程，确定其有效性及安全性。器官芯片可反映这种 药物在体内的动态变化规律和人体器官对药物刺激的真实响应，弥补了现有模型与人体偏差较大的不足，构成 一种药代、药效、毒性三位一体的成药性评价技术体系。采用器官芯片进行药代、药效、毒理研究，对获得更为可靠的测试数据、减 少动物实验数量具有重要意义。

疾病研究 

在疾病研究领域，器官芯片对于重现人类疾病特征、研究多因素参与的疾病病理机制提供了新的机遇。尽管器官芯片技术对人体生物学组织器官构成进行了一定程度的简化，但该技术在重建复杂器官功能和人体病理生理学特征方面仍具有不可替代的作用。比如，利用肠芯片可以实现对多种组织细胞的共培养，包括上皮组 织细胞、免疫细胞及共生细菌、致病菌等，从而可用来研究炎性肠病发病过程中细菌和淋巴细胞的相互作用特性。

随着干细胞领域研究的快速发展，人体器官芯片在利用人诱导多能干细胞（iPS细胞）建立疾病模型等方面也已取得重要进展。有研究报道，利用患者来源干细胞，可在芯片上构 建功能性心脏组织，模拟遗传性心脏病模型(Barth综合征)。采用患者体细胞来源于细胞构建的特定病人“个性化人体芯片”，将使个体化的疾病风险预测、药 物药效评价、毒理评估和预后分析成为可能。

诱导多能干细胞具有早期胚胎干细胞的发育能力，理论上可分化成任何成体细胞与器官类型。

毒理学评价 

随着经济的高速发展和人体和环境安全重视度提高，亟需出现更为科学、高效、经济的毒性测试方法来满足人们对化学品、药品、农药、食品添加剂和化 妆品等各种化学物质进行安全风险评估的需求。由于人体的复杂性，现有的体外评价模型和动物实验并不能准确地反映人体对危害因素的反应。将器官芯片应用于环 境污染物、化学品、纳米颗粒、生物毒素、物理辐射等毒理学测试领域，具有巨大的应用空间。可以更好地 模拟人体对化合物、细菌、毒素真实反应，显著减少毒性评估的成本和时问，是毒性测试动物替代技术研究 的前沿领域和研究热点。

展望 

人体器官芯片是人类健康领域的未来技术，在疾病研究、个性化医疗、毒性预测和新药研发等领域的作用 和优势日益呈现，其发展前景吸引了世界范围的关注， 孕育着重要的科学进步。随着该技术的长远发展，在未 来利用人体器官芯片有可能构建一种“类人”的生命模 拟系统，并将有可能彻底改变人们了解自身的方式，为生命科学和医学研究提供一种整体性和系统性的解决方 案，在生命科学和医学等多个领域发挥重要作用。

伴随着巨大应用需求和市场驱动，人体器官芯片与干细胞、组学技术、基因编辑、合成生物学、高分辨成像、 大数据和人工智能等领域的深度融合发展将是未来的发展趋势。