器官芯片 Organ-on-a-chip
器官芯片（Organ-on-a-chip，OOC）即就是模擬整個(gè)器官和器官系統(tǒng)活動(dòng)、力學(xué)特性和生理反應(yīng)等的多通道3D微流體細(xì)胞培養(yǎng)芯片。微流控芯片（Lab-on-a-chip，LOC）和細(xì)胞生物學(xué)的融合，使得在特定器官的環(huán)境中研究人體生理學(xué)成為了可能，建立起一種新型的多細(xì)胞生物有機(jī)體模型。此模型的出現(xiàn)對(duì)生物醫(yī)藥領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。
(一) :能夠解決新藥研發(fā)中主要障礙的工具
新藥市場(chǎng)是任何醫(yī)藥公司都需要必經(jīng)的最長(zhǎng)，最貴的道路。研制新藥的過(guò)程中，醫(yī)藥公司始于成千上萬(wàn)的可能對(duì)疾病或者人類生存有積極影響的化合物。如果幸運(yùn)的話，在12年甚至以上的時(shí)間內(nèi)花費(fèi)了數(shù)十億美元之后，能夠在這些化合物中得到一種可進(jìn)入市場(chǎng)的藥物。這個(gè)藥物研發(fā)的過(guò)程需要面對(duì)可能存在于任何一個(gè)階段所有可能的失敗。而目前的研究方法：在培養(yǎng)皿中的細(xì)胞培養(yǎng)其他動(dòng)物活體試驗(yàn)并不能完全對(duì)化合物進(jìn)行預(yù)測(cè)。這些方法所篩選出大約90％藥物已被證實(shí)，在臨床試驗(yàn)中由于毒性或缺乏療效而被宣判失敗。因此，制藥行業(yè)需要更多的預(yù)測(cè)篩選工具，能使不合適的候選藥物在更早的時(shí)候被發(fā)現(xiàn)失敗，這樣能大大減少資金的花費(fèi)。此外，還有報(bào)道指出即使是這樣的方法所篩選出的藥物還會(huì)忽略掉真正對(duì)人類有療效的潛在化合物。
同樣在其他行業(yè)若干可解決這些問(wèn)題的技術(shù)已經(jīng)被研究，而最有希望的當(dāng)然是器官芯片。微加工技術(shù)和生物學(xué)的結(jié)合以與內(nèi)襯活細(xì)胞微工程裝置的方式重構(gòu)出具有生理和力學(xué)功能的人體器官。精確地控制流體的運(yùn)動(dòng)以及組織-組織界面動(dòng)態(tài)模型，這樣的方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的靜態(tài)細(xì)胞培養(yǎng)更加接近體內(nèi)。
器官芯片技術(shù)越來(lái)越被重視的直接表現(xiàn)在于越來(lái)越多的經(jīng)費(fèi)涌入這一領(lǐng)域。如器官芯片的研發(fā)機(jī)構(gòu)獲得了巨額的研發(fā)經(jīng)費(fèi)：美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）和國(guó)家衛(wèi)生研究所（National Institutes of Health，NIH）在未來(lái)的五年期中分別獲得了1.4億美元和7600萬(wàn)美元的經(jīng)費(fèi)。與此同時(shí)，2012年開(kāi)始，商業(yè)技術(shù)研發(fā)人員已經(jīng)從投資者處，募集了超過(guò) 8000萬(wàn)美元，詳細(xì)情況如下圖所示。
（二） 小市場(chǎng)，大功能以及市場(chǎng)炒作
器官芯片的研究始于2000年左右，但一直到2010年后，才由于媒體的報(bào)道和資金的涌入才走上了快速發(fā)展的軌道。盡管器官芯片的出現(xiàn)是研究者和工業(yè)界所夢(mèng)寐以求的工具，但現(xiàn)在微流控芯片的相關(guān)產(chǎn)業(yè)仍不能稱之為一個(gè)真正的市場(chǎng)。在2016年，由Yole的分析師所估計(jì)的器官芯片及其周邊所有服務(wù)的總銷售額不超過(guò)7500萬(wàn)美元，只有很少的器官芯片處于優(yōu)化生產(chǎn)和商業(yè)化階段。以器官芯片為主頁(yè)的公司大多都源自于大學(xué)或者研究所的實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)與微加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)人員合作，反復(fù)優(yōu)化他們所發(fā)表在文章或者發(fā)明中的微流控器官芯片模型。
制藥機(jī)構(gòu)和化妝品企業(yè)都希望能利用不同的器官芯片作為解決方案來(lái)評(píng)估自己所研發(fā)的產(chǎn)品，但是這些保守的企業(yè)需要繼續(xù)花更多的時(shí)間來(lái)適應(yīng)這樣的新興技術(shù)。器官芯片公司將克服技術(shù)挑戰(zhàn)和高檔產(chǎn)品，市場(chǎng)從2011-2022年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為38%-57%，在2022年達(dá)到6000萬(wàn)到1.17億美元，而且這僅僅是第一步[2]。如下圖所示：
毫無(wú)疑問(wèn)，這些器官芯片技術(shù)倘若中長(zhǎng)期成長(zhǎng)起來(lái)有可能成為未來(lái)價(jià)值數(shù)十億美元的潛在市場(chǎng)，這也能夠?yàn)獒t(yī)藥或者其他行業(yè)節(jié)省數(shù)十億美元。
而倫理道德仍然是這個(gè)市場(chǎng)最為在意和有益的：每年全球范圍內(nèi)有一百萬(wàn)頭實(shí)驗(yàn)動(dòng)物被使用，而這些都可以潛在的被微流控器官芯片所替代。而這種情況的產(chǎn)生會(huì)極大地提高媒體報(bào)道的熱情，從而會(huì)忽視器官芯片技術(shù)層面中的阻礙。同時(shí)業(yè)內(nèi)和政府機(jī)構(gòu)對(duì)于少數(shù)被投資足夠資金的少數(shù)器官芯片研發(fā)機(jī)構(gòu)或者項(xiàng)目非常支持。
然而，這樣的投資將會(huì)繼續(xù)持續(xù)，大型制藥和化妝品公司都已開(kāi)始使用微流控器官芯片，如歐萊雅，輝瑞，阿斯利康，羅氏公司和賽諾菲等都已經(jīng)開(kāi)始同微流控器官芯片機(jī)構(gòu)合作。除此之外，微流控器官芯片技術(shù)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用將改變療效和毒性測(cè)現(xiàn)有及正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品[3]這些將在后續(xù)文章中繼續(xù)展開(kāi)。
（三） 多重技術(shù)上的挑戰(zhàn)仍需解決
盡管器官芯片技術(shù)取得了重大進(jìn)展和應(yīng)用，但是器官芯片里行業(yè)內(nèi)的廣泛運(yùn)用仍有很大距離，還存在幾個(gè)主要的技術(shù)難點(diǎn)需要攻克。
首先，如何成功的將的幾個(gè)不同的器官芯片連接起來(lái)精確地模擬整個(gè)身體對(duì)藥物藥品反應(yīng)的能力需要進(jìn)一步被證實(shí)。有若干家公司正在研究多器官模型，但整體來(lái)看，離“人體-芯片”仍有很遠(yuǎn)的路要走，“人體-芯片”仍就是遙遠(yuǎn)尚未實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想。為了解決各種需求，器官芯片的研究人員對(duì)自己的產(chǎn)品在器官種類、芯片類型和流體模式方面進(jìn)行多樣化處理。
有報(bào)告指出，器官芯片以期能解決在藥物開(kāi)發(fā)階段功能中基于關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)分割中技術(shù)限制的能力，在將來(lái)會(huì)被廣泛運(yùn)用。另一個(gè)主要的問(wèn)題是作為商品的器官芯片產(chǎn)量將會(huì)從每月或者每周幾臺(tái)設(shè)備，提高到更大的產(chǎn)量或者容量來(lái)符合市場(chǎng)的需求。實(shí)際上，一些企業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了倍增生產(chǎn)和相關(guān)材料和/或重新設(shè)計(jì)符合市場(chǎng)要求的器官芯片階段。
一個(gè)值得注意的特點(diǎn)是，大多數(shù)器官芯片都極為依賴于微流控技術(shù)，這意味著器官芯片制造公司需要越來(lái)越多的接受來(lái)自初創(chuàng)公司尋找制造商合作伙伴的需求。一些代工廠剛開(kāi)始的為器官芯片的制作提出量身定制的方案，并充分強(qiáng)調(diào)他們能夠在這一領(lǐng)域確定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的巨大潛力。真正需要值得注意的是，在商品用器官芯片的制作過(guò)程中，與現(xiàn)有設(shè)備的兼容性以及其標(biāo)準(zhǔn)化將是器官芯片能夠被廣泛利用的重要因素，這也需要技術(shù)開(kāi)發(fā)人員需要充分認(rèn)識(shí)和考慮到的。
下圖是不同類型的器官芯片技術(shù)在不同的藥物研發(fā)階段所發(fā)揮的功能。
（原創(chuàng): ChenMond 轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請(qǐng)聯(lián)系刪除）