芯片上的人

一张肺芯片。

（本文首发于2020年4月16日《南方周末》）

十年前，哈佛大学的研究人员设计并制造出了第一款“器官芯片”，而在最近发表的论文中，他们将这项研究推进了一大步：把8种人体器官的器官芯片整合在了一起。这表明只需几张U盘大小的芯片，科学家就能以人体级的准确度研究各类疾病，开发各类药物。

想象一下，使用一个只有U盘大小的装置，科学家就能模拟接近生理状态下的人类器官，用于研究疾病和开发药物。这并不是科幻作品中的想象，实际上，早在十年前，科研人员就设计并制造出了第一款这样的“器官芯片”。但人体并非只有一个器官，而且由于血液循环等原因，各个器官的状态还会对其他器官产生影响，因此单个器官芯片的模拟仍然不能如实反映人体内器官的生理状态。在最近的一项新研究中，科学家将这个领域的研究向前推进了一大步：他们把8种人体器官的器官芯片整合在了一起，并利用这个系统对一些药物的药理学特点进行了研究。从某种程度上说，他们制造出了一个简化版的“芯片上的人”（简称“芯片人”）。

策略缺陷

要想研发出一款安全而有效的药物，科学家往往需要研究相关疾病的机理，以加深对疾病的理解，从而为药物的设计和筛选提供指导方向。另一方面，筛选或者设计出的药物还需要通过很多个阶段的试验，对药物的安全性和有效性进行评估。

在对药物进行评估时，相关的试验几乎都会先在实验动物上进行，在通过了安全和有效性的评估之后才会进一步推进到人。但实验动物和人在解剖结构、新陈代谢、寿命长短等诸多方面都有所不同，因此即使某种药物在实验动物上有效，也并不一定能保证在人体上就会有类似的效果。研发出一款在动物试验水平上有效的药物，制药企业往往就需要投入巨大的经济和时间成本，而在这些药物中，推进到临床试验阶段后效果不理想的情况可以说比比皆是。同样的，一种药物在动物实验中没有表现出副作用，并不一定就意味着对人体不会产生不良影响。

而在研究疾病的机理时，由于医学伦理等方面的原因，科研人员受到的束缚也很大：医学界不允许为了研究某种疾病，人为让人患上疾病的情况发生。因此，很多疾病机理的研究都止步于实验动物。

由于这些因素，无论是从经济成本、时间成本，还是针对性上看，目前的疾病和药物研究的策略都存在缺陷。

方寸上的器官

2010年6月，哈佛大学的生物工程学家，该校怀斯生物启发工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）所长唐纳德·英伯（Donald Ingber）领导的团队在著名学术期刊《科学》上发表了一篇论文，介绍了他们研发出的世界上第一张器官芯片。在这张长宽不足2厘米的芯片上，这些科学家模拟出了一个简化版的人类肺脏。

这张肺芯片的原理和结构非常简单。整张芯片由两条通道、一层膜，外加两个“气压舱”构成。科学家首