魔幻现实主义科技：存在于芯片中的人体器官

新药开发和测试是一个漫长而昂贵的过程。为了生产前景无限的化合物或分子，科学家需要进行大量的研究。之后，如果安全有效，他们还将进行动物试验和人体临床试验。在这个过程中，科学家需要观察药物的安全性和有效性以及合适的剂量。

长期以来，科学家一直试图简化或加速这一过程。为此，他们在一个小芯片上模拟人体器官(人工排列人体活细胞来模拟完整器官的功能和结构)。这就是所谓的“芯片器官系统”。将来，这个系统可能会取代动物试验，减少人体试验所需的步骤和时间。根据《自然新闻》杂志的报道，这种未来派的观点正在慢慢变成现实。

这是一个“真实”的肺，但它不是真实的

计算机的微芯片是由硅树脂材料制成的，模拟人体器官的芯片也是建立在这种材料上的:科学将液态硅树脂注入一个有许多通道的特别蚀刻的模具中，所以硅树脂芯片上有更多的通道。在这些通道中，科学家已经种植和培养了许多人类细胞。这些细胞从通道底部生长，培养液将在通道中流动，向细胞输送营养。因此，科学家可以在培养液中加入新药或其他待测物质，观察它们与细胞结合后的情况。

一般来说，最基本的芯片模拟人体器官只培养一种细胞。为了模拟不同的器官协同工作，科学家需要在芯片的基础版本上增加新的功能和特性来模拟人体器官。例如，由哈佛大学威斯生物技术研究所开发的芯片模拟肺器官的复杂度更高，并且可以模拟具有呼吸功能的肺。在他们的实验中，工作人员用薄膜将硅芯片上的通道分隔成两个隔间。然后，他们将两种不同类型的肺细胞放入每个隔室:一种可以与膜顶部的空气交换气体，另一种可以与隔室底部的血液交换气体。

为了让芯片模拟肺器官的呼吸功能，科学家们不断地将空气输送到隔间的顶部，同时用隔间底部的液体模拟人体的血液流动。通过这种方式，他们可以观察到空气中的哪些分子可以进入肺部和血液。这个过程模拟的是人体从空气中获取氧气，然后将氧气储存在血液中，并输送给全身细胞。

在另一项实验中，哈佛大学的科学家还证明了一种抗癌药物对人体的危害——这种药物会使液体从细胞膜的血液侧流向空气侧。在人体内，这种药物会使病人的肺部充满液体，从而造成呼吸困难。

生物技术公司和制药公司之间的合作为我们带来了人体器官系统的芯片模拟，以加快药物检测过程。据报道，荷兰生物技术公司Mimetas开发了一种模拟肾脏器官的芯片，三家制药公司准备用这种产品来测试他们的新药。

此外，强生公司宣布计划使用马萨诸塞州生物技术公司仿真芯片来模拟人体器官系统进行药物试验。值得一提的是，莫瑞隶属于哈佛大学维斯生物工程研究所。据报道，强生公司已经开始在模拟人体血栓的芯片模拟人体器官系统上测试药物，并计划用芯片模拟肝脏来观察药物是否对人体肝脏有损伤。血栓形成和肝损伤是药物常见的潜在副作用。通过用芯片模拟人体器官，我们可以更早地发现药物的潜在危害。

人体器官芯片模拟:潜力无限的未来技术

从目前的情况来看，人体器官系统的芯片模拟具有很大的潜力，可以从多方面改善目前的药物检测过程。

首先，在药物试验中，人体器官的芯片模拟明显优于培养皿。科学家发现，在进行肺癌芯片模拟人体器官模型的药物检测时，芯片模拟人体器官系统预测的最有效剂量与人体临床检测中发现的最有效剂量最接近，预测结果比培养皿中常规细胞试验的预测结果更加准确。这是因为培养皿中的细胞都放置在一个平面上，芯片模拟人体器官系统可以更好的再现人体的三维机制。复制三维结构对于研究大脑或胎盘等复杂器官是非常重要的，这在工作时是很难研究的。

此外，新技术在精确度上优于动物实验。用芯片模拟人体器官系统检测新药比用动物模型检测新药具有更高的准确性。从动物研究中获得的测试结果可能具有误导性:一些药物对动物有不良副作用，但对人类没有这样的问题(杀死进入市场的优秀药物)；一些药物在动物身上没有任何问题，但是它们会对人类产生副作用(导致昂贵的临床试验失败，或者更糟，导致公众遭受药物的有害副作用)。

当然，作为一项研发技术，在人体器官系统的芯片模拟方面还有一些主要的障碍需要克服。首先，人体器官芯片模拟的复杂度没有人体真实器官高，系统无法模拟真实器官受到人体其他非相邻器官干扰的状态。例如，模拟人体器官的芯片可能无法完全模拟激素(如胰岛素)改变人体肌肉细胞行为的复杂模式。此外，科学家们仍在进行测试，以确定现有的药物是否能以我们期望的方式在人体器官系统的芯片模拟中发挥作用。

然而，这些障碍并不妨碍人们对新技术的热情。许多制药公司和隶属于国家卫生研究院的国家转化科学促进中心(NCATS)也参与了研发。据报道，NCATS已经投入了大量资金来资助11个模拟人体器官系统的芯片的开发过程。如果人体器官的芯片模拟能够在药物检测中证明自己的优势，那么这项技术就可以提高药物研发的速度、准确性和性价比。这将是医学领域的一个重大变化，并逐渐成为现实。