方寸之間的小小芯片上，能培養出跳動的“心臟”、呼吸的“肺”、流動的“血管”……人體器官芯片正成為生物醫學研究中的熱門新工具。這些人體器官芯片，可部分代替動物和臨床試驗。基于這一技術，科學家們還有更遠大的理想：使用數字化手段再現生命和疾病過程，從而實現精準醫療。近日，記者探訪東南大學生物電子學國家重點實驗室，走近神秘的人體器官芯片和“數字克隆人”。

血管芯片

腦瘤芯片

解密“人體器官芯片”

“人體器官芯片是建立在組織工程和微流控芯片等技術上的，結構看起來很簡單。”在東南大學四牌樓校區，生物科學與醫學工程學院院長顧忠澤，從實驗室里拿出一張寬約2厘米、長約5厘米的透明芯片，上有通道、薄膜和導管。“是不是有點像透明的集成電路？不過，它的管道里流的不是電子，而是液體。”

據介紹，人體器官芯片就是在人體外模擬出人體內部環境——可以是某一組織、某一器官，甚至是多個器官的組合。那么，怎樣將人體組織器官“種”在芯片上呢？“簡單來說，就是在微流控芯片中搭建一個目標組織或器官的三維模型，通過細胞培養構建出具有三維結構的微型組織和器官。”顧忠澤說。由于培養的組織器官和實現的功能不一樣，各類芯片都需要單獨設計。

比如，構建心臟芯片時需要模擬心肌組織的跳動，而構建肺芯片時則需要模擬肺泡中的氣體交換。目前構建的心臟芯片可以實現連續80天以上的跳動。此外，還有腦芯片、肝芯片、腎芯片、腫瘤芯片、血管芯片、皮膚芯片……科學家正嘗試在小小的芯片上“種”出一個個人體組織器官。

“現在，東南大學已經研發出多種器官芯片，在此基礎上，我們還將研發多器官集成的芯片系統。”顧忠澤介紹，該芯片系統就像是一個由多個人體器官或組織構成的集成電路，培養液貫穿各個組織器官，從而形成一個小小的“芯片上的人”。而之前有消息稱，麻省理工的科學家已將十種人體器官微型模型連接在一起，雖然該系統僅存活了四周，卻讓科學家測試到常見止痛藥對多個器官的影響。

助力個性化的精準醫療

人體器官芯片可以有效模擬人體生理、病理狀態的功能，進行部分臨床替代試驗，對精準醫療有重要意義——科學家已經能使用患者的細胞，制造出一張患者的器官芯片，以尋找最適合患者的藥物或者治療方法。顧忠澤舉例道，“比如我們從人的腫瘤里取出細胞放進芯片培養，長成一個微小腫瘤，這樣就可以在腫瘤芯片上去做個性化藥物試驗，我們可以導入藥物，觀察治療腫瘤的效果，進行藥物篩選。”

除了精準醫療，人體器官芯片還將改變藥物研發的模式，極大地降低藥物研發成本，“用人體器官芯片來實現替代動物試驗將是革命性的。”顧忠澤說。

目前，在蘇州高新區和江蘇省產業技術研究院的支持下，東南大學蘇州醫療器械研究院已在進行人體器官芯片的產業化研究，“我們研發的腫瘤芯片、皮膚芯片已開始邁向產業化。腫瘤芯片跟南京腦科醫院、東南大學附屬中大醫院合作進行臨床研究，哥倫比亞大學也在和我們洽談購買芯片和裝置。此外，還跟中國航天員科研訓練中心、英國伯明翰大學等多個科研機構進行合作。”

“目前，我們做的還是實體的人體器官芯片，未來，我們希望能構建‘數字克隆人’。”顧忠澤認為，生命科學和醫學發展的一個趨勢是，使用數字化的手段再現生命和疾病過程。

用“數字克隆人”模擬生命過程

自上個世紀90年代人類基因組計劃成功實施以來，無論從個體的單一維度到群體的多維度，還是從健康狀態到疾病病理狀態，各種生物醫學國際合作項目不斷涌現，產生了大量的生物醫學數據。這些數據揭示了一個基本的規律：生命是數字的。即，動態復雜的生命過程可以用數字化的狀態呈現，也可以通過計算來模擬和預測。

顧忠澤介紹，“數字克隆人”，具體來說，就是采集從分子到細胞到組織器官到人體系統的跨尺度、全生命周期的高質量生物醫學數據，并通過人工智能、虛擬現實等技術手段，構建個性化、具有自我演繹功能的“數字人”。“它能通過模擬人的生命過程，實現生命科學研究和生物醫藥產業中的動物和臨床試驗替代。”

而要實現“數字克隆人”的目標，需要解決兩個關鍵科學技術問題：一是如何采集數據；二是如何使用數據構建模型，模擬生命過程。

顧忠澤說，實驗室目前在做幾個先導項目，“首先是人體單細胞圖譜，我們希望知道人的每一個器官里基因表達的空間信息。其次是器官中的結構與功能信息的關系。只有把這些信息進行有機的融合，才會形成一個數字意義上的‘活’人。還有就是基于人體器官芯片的試驗，可以獲取細胞、組織和器官層面上信息的關系。所以，人體器官芯片是我們數字克隆人研究中的一個關鍵技術。”

由東南大學主導的“生物醫學大數據重大科技基礎設施”也計劃在南京江北新區建設。“我們會在那里建設樣本庫、芯片平臺、數據采集平臺、虛擬現實平臺等。”據悉，該重大科技基礎設施建成后，將成為全球最大的生物醫學大數據設施，使人們可以從基因、細胞、組織、器官、個體乃至群體水平，全方位解析人體健康，為精準醫學的發展起到推動作用。