幾十年來，實驗室里的生物研究人員一直認為動物模型是一種無奈的殺戮。在一些激進人士以道德為理由對此進行譴責的同時，即使是最務實的研究人員也承認它們存在根本問題。實驗動物很昂貴。而且從生物學實驗的角度，它們只是人類不完美的替代品，因此在實驗中會引入許多很難甚至無法控制的變量。這些缺陷并不局限于學術研究中。多年來，制藥業研發人員一直在與后期研發失敗艱苦斗爭。在這個階段，不止一種在不同動物模型中看起來很有希望的藥物被證明無效，甚至對人類有毒。所以說，非人動物模型只是對人類生物學進行細致研究時的無奈選擇。
得益于在其他領域取得的進展，這種嚴峻的形勢開始發生改變。研究人員現在正在構建一個體外模擬的系統，可以減少甚至擺脫對實驗動物的依賴，同時產生更好的數據。這個系統通過使用改進的生物傳感器來監測微觀區域；同時利用微流控設備來實現模擬，它結合了計算機芯片的微型化特點，并能夠搭載活細胞和組織。
鉆石做的傳感器
藥代動力學研究人員一直是動物模型改進事業最熱心的支持者中的一員。理想情況下，研究人員想要知道一種藥物在體內的詳盡經歷，從給藥到代謝再到排泄的整個過程中，會去哪里，在什么時候，被以怎樣的方式再加工。在實踐中，這需要一些繁瑣的技術，比如用藥物處理許多動物，并在不同的時間犧牲它們進行分析。除了費力和昂貴之外，這些實驗只粗略地測量了藥物在不同時間和身體部位的代謝。
近年來，研究人員已經將微小的碳基電化學傳感器植入動物體內，這些傳感器可以實時測量單個動物的新陳代謝變化。它對大腦中的多巴胺和血清素水平等自然信號效果不錯，但高背景噪音和低動態范圍的碳基探頭在研究藥物代謝方面算不上好的選擇。
化學家和生物學家正在合作克服這些限制。日本橫濱慶應義塾大學的化學教授Yasuaki Einaga從事電化學傳感器研究已有數十年。Einaga的團隊發現摻雜硼的鉆石探頭特別擅長檢測溶液中的電化學變化。他的團隊成員在從污水處理到化學合成的體系中測試了這些探頭。
“為了進一步探索它們的生物學應用，我們在2007年成功地把探頭縮小到了微觀尺度”，Einaga說。日本新瀉大學醫學院的分子生理學教授Hiroshi Hibino看到了該系統在藥代動力學應用方面的潛力，并于2011年開始與Einaga合作。
這兩個實驗室后來發現，摻雜了硼的金剛石探頭可以檢測活體動物和移植器官中幾類藥物引起的電化學變化，并提供藥物濃度的實時數據。“這些傳感器可測量的藥物數量遠遠超過任何傳統電極。”Einaga說。例如，在最近的一篇論文中，研究團隊精確測量了豚鼠內耳中利尿劑、抗驚厥藥和化療藥物的濃度。
Hibino說：“我們有一個測試腎臟的計劃，而且兩組人在討論進一步的合作，以開發一種植入式微傳感系統來跟蹤一種藥物及其在諸如大腦等器官中的縱向影響。”他補充說，這兩個實驗室目前正在與其他研究人員進行討論，他們希望將這項技術應用于從腫瘤學到精神藥理學的各個領域。
控制管道的代碼
改進后的生物傳感器可以從每只動物身上提取更多更好的數據，而它們也可以與微流控裝置結合，徹底取代動物實驗，至少在某些類型的實驗中是這樣。微流控設備制造商借用電子工業的技術，在類似芯片的晶圓片上制造微型實驗室。芯片的通道和腔體很小，這意味著流體可以快速通過。微流控裝置還可以含有模擬生物腔隙的復雜結構，使培養的細胞行為上更加貼近自然狀態。最后，這些芯片可以在半導體制造設備上大規模生產，使其價格相對低廉。
過去的幾年里，生物學家已經建造了一系列越來越復雜的微流控設備，這些設備基本上已經可以視為人工的、微型化的人體器官。這些系統中內置的生物傳感器可以幫助研究人員進行實時觀察。例如，一個微小的人類肝臟或腎臟模型對不同劑量的藥物進入有怎樣的反應。
不過，這些新系統有可能令人望而生畏。“我們儀器供應商面臨的最大挑戰是推廣，”法國巴黎Elveflowin公司的營銷和銷售主管Fabien Crespo表示。Crespo補充說：“人們對微流控設備有所疑慮，這很大程度上是由于它們復雜的管道。”
Elveflow和其他幾家公司已經把這種微觀的“管道”作為他們的主要關注點。Crespo說：“研究人員現在可以找到適合他們應用的微芯片，而我們提供控制其內部液體流動的全套方案。”由于微流控領域已經標準化了不同類型的芯片液流配件，一個液體處理系統就可以滿足不斷變化的實驗室需求。例如，在Elveflow的設置中，一個鼠標操作的計算機界面就可以幫助研究人員構建控制液體流動的多步實驗流程。更有經驗的用戶可以使用腳本接口以編程方式驅動系統。
這種靈活的、模塊化的系統無疑是微流控技術如此受歡迎的原因之一。Crespo說：“我們看到這個領域有了很大的發展，尤其是在過去兩年。”他補充說，雖然微流控的首批用戶大多是學術界的研究人員，但工業界研究人員的需求也在不斷增長。這可能是源于對開發新型臨床前藥物篩選方法的興趣，但Crespo也預計微流控技術將在未來幾年出現在快速醫療診斷測試中。
政府的參與
近10年前，通過基礎研究和前瞻性的政府資助，微流控技術開始爆炸式發展。當一些學術實驗室的研究人員開始構建“器官芯片”系統時，美國國立衛生研究院、美國食品和藥物管理局和國防高級研究計劃局的管理人員敏銳的注意到了這一點。“很明顯，這將是一個很有前途的工具和技術。”美國國家轉化科學發展中心（NCATS）副主任Danilo Tagle說。這個中心是美國國立衛生研究院的27個研究所和中心之一，而Tagle在其中負責特別項目的啟動。
Tagle和在其他機構的同行們在2011年與研究人員召開了一次會議，討論如何將新的組織和器官芯片轉化為藥物測試和監管批準的實用模型。Tagle說：“過去幾年的大量研究表明，藥物開發過程中，90%的損耗是由于在使用細胞培養系統和體內動物模型時未能準確預測安全性和有效性造成的。我們希望這些組織或器官芯片能夠補充我們缺少的信息，以便在藥物開發中提高成功率。”
為了實現這一目標，美國國立衛生研究院在2012年立項了用于藥物篩選的組織芯片項目，并由國家轉化科學發展中心負責管理。由幾家學術實驗室合作，該項目的五年目標是在芯片上建立器官，從而準確預測人類的藥物反應。由該項目資助的研究人員必須研制某些設備，使細胞能夠在模擬特定器官或組織的環境中存活，并結合生物傳感器來測量細胞的生理機能。目前，該項目已經建立了幾個獨立的器官芯片檢測中心，檢測了100多種藥物。這些藥物都通過了傳統的臨床前測試，但在臨床試驗中卻都失敗了。“我們的問題是，‘一個給定的芯片能預測出2D培養系統和動物模型無法預測的不利事件嗎？’”Tagle說。在這些測試中表現出色的器官芯片，可以在未來藥企提交的監管文件中，用來補充甚至取代動物數據。
第一階段的測試在7月結束，建立了幾個在藥物毒性測試方面很有前途的系統。接下來，組織芯片計劃專注于藥物療效模型的開發。這些單器官和多器官系統將用于模擬特定疾病，包括帕金森氏癥、肌萎縮側索硬化癥和骨關節炎。
深呼吸
與傳統的細胞培養系統相比，器官芯片的主要優勢在于能夠模擬完整器官的復雜結構和動態。芯片制造商可以將微通道、曲線、孔洞和細胞層整合到一起，而不是局限于平整的固體表面。微流控設備可以依靠程序精確調控流體的特性增加技術的真實性，重新構建同類細胞在人體內可能遇到的各種力學環境。
肺作為一個很好的案例展示了這種方法會遇到的挑戰和所具備的潛力。在人的肺里，細胞構成半透性的屏障，兩邊各不相同。這一屏障允許空氣和血液之間的氣體交換，同時保持兩種流體的分離，還需承受每次呼吸的周期性收縮。哈佛大學Wyss研究所的研究人員在2010年首次用肺芯片模擬了這個系統。在馬薩諸塞州的波士頓，Emulate公司正在繼續研發這種芯片和其他器官芯片。
波士頓的團隊并不孤單。瑞士伯爾尼AlveoliX公司的首席執行官Olivier Guenat說：“我們看到了來自Wyss研究所的這篇非常有趣的論文，我們想要進一步深入拓展這個概念。”Guenat也是伯爾尼大學ARTORG生物醫學工程研究中心的一個課題組負責人，他的實驗室與治療肺部疾病的臨床團隊合作。
為了模擬肺的結構和三維形變，Guenat的團隊開發了一個平臺，將細胞植在含有規則間隔孔的薄硅膠層上。雖然只有3微米厚，但這些硅膠層仍然足夠堅固，能夠承受重復的、呼吸式的彎曲。完成這一目標后，Guenat說：“第二大挑戰是，我們想要開發一些非常容易使用的東西。”
經過幾次設計迭代后，AlveoliX公司現在有了一個原型系統，可以在標準尺寸的多孔板上運行12個肺芯片。這種安排使用戶能夠使用現有的顯微鏡、酶標儀和其他常見的實驗室設備來處理和測試芯片。最終，“我們希望能夠從病人身上提取細胞并進行測試，看看哪種治療方法對那個病人最好，”Guenat說。
這種芯片還將被證明對臨床前研究有用，使研究人員能夠以遠比在活體模型中更精確的方式控制流體流動、機械應力和其他參數，同時消除動物實驗操作的挑戰。Guenat說：“我想沒有哪位生物學家喜歡殺動物，而且現在有了器官芯片，我們真的想減少動物實驗。”
器官協奏曲
隨著器官芯片日趨成熟，該領域的研究人員已經將微控體技術和生物傳感器技術推進到下一個邏輯步驟：多器官系統。理論上，人們可以使培養基輕易的通過串聯在一起的多個器官芯片，從而使藥物和代謝產物在一個高技術建立的微型身體內循環。事實證明，做起來比說起來，挑戰要大得多。
佛羅里達州奧蘭多的Hesperos公司總裁兼首席執行官Mike Shuler說：“當有人想這么做，很多事情都可能成為問題。”這家公司專門生產多器官芯片系統。Shuler同時也是位于紐約伊薩卡的康奈爾大學的工程學教授，他說，即使是對多器官芯片系統非常熟悉的人也很難讓它們運行起來。他表示：“當我將技術從自己的學術實驗室轉化到公司時，有時我們需要進行幾次迭代才能使其正常工作。”
因此，Hesperos公司將多器官模型作為一種服務來提供，而不是試圖將其作為獨立產品來銷售和支持。迄今為止，該公司已經與幾家有興趣在芯片上測試藥物先導化合物的制藥公司合作。Shuler介紹，Hesperos通常用四五個串聯的器官芯片來構建系統。“肝臟幾乎總是最關鍵的，其次是心臟和神經肌肉的連接……”他補充說，該公司還開發了包括人造皮膚、胃腸道和血腦屏障在內的系統。
最大的挑戰之一是保持系統運行足夠久以進行長時間的代謝測試。Shuler說：“我們試著把運行時間延長到28天。”在這個時間尺度上，細胞介質中氧氣和二氧化碳的溶解度差異會導致氣泡累積，擾亂系統中需要嚴格控制的流體流動。Hesperos公司為了解決這個問題，放棄了通常用來控制微流控裝置的泵，轉而使用精心設計的重力流系統。
隨著這項技術的不斷發展，微流控系統的支持者們預計，在未來幾年里，微流控系統的受歡迎程度將大幅上升。Hesperos公司的首席科學官James Hickman表示：“我們已經參與到大大小小的制藥公司的工作流程中，而且到目前為止，我們幾乎已經實現人們為我們設定的每一個里程碑目標。”Shuler預計，人體器官芯片“會大大降低動物實驗在整個藥物研發過程中的重要性，它最終將取代動物，或大幅減少動物的使用，因為你可以直接獲得人體系統的數據。”■
（譯者李楠是中國科學院深圳先進技術研究院的副研究員）
作者Alan Dove是常駐馬薩諸塞州的科學作家和編輯。
鳴謝：“原文由美國科學促進會（www.aaas.org）發布在2018年3月14日《科學》雜志”。官方英文版請見http://www.sciencemag.org/features/2018/03/vitro-veritas-biosensors-and-microarrays-come-life。