器官芯片 Organ-on-a-chip
器官芯片（Organ-on-a-chip，OOC）即就是模擬整個器官和器官系統(tǒng)活動、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)胞生物有機體模型。此模型的出現(xiàn)對生物醫(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
新藥市場是任何醫(yī)藥公司都需要必經(jīng)的最長，最貴的道路。研制新藥的過程中，醫(yī)藥公司始于成千上萬的可能對疾病或者人類生存有積極影響的化合物。如果幸運的話，在12年甚至以上的時間內(nèi)花費了數(shù)十億美元之后，能夠在這些化合物中得到一種可進入市場的藥物。這個藥物研發(fā)的過程需要面對可能存在于任何一個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)其他動物活體試驗并不能完全對化合物進行預(yù)測。這些方法所篩選出大約90％藥物已被證實，在臨床試驗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)測篩選工具，能使不合適的候選藥物在更早的時候被發(fā)現(xiàn)失敗，這樣能大大減少資金的花費。此外，還有報道指出即使是這樣的方法所篩選出的藥物還會忽略掉真正對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動以及組織-組織界面動態(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)越來越被重視的直接表現(xiàn)在于越來越多的經(jīng)費涌入這一領(lǐng)域。如器官芯片的研發(fā)機構(gòu)獲得了巨額的研發(fā)經(jīng)費：美國國防部高級研究計劃局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）和國家衛(wèi)生研究所（National Institutes of Health，NIH）在未來的五年期中分別獲得了1.4億美元和7600萬美元的經(jīng)費。與此同時，2012年開始，商業(yè)技術(shù)研發(fā)人員已經(jīng)從投資者處，募集了超過 8000萬美元，詳細(xì)情況如下圖所示。
（二） 小市場，大功能以及市場炒作
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)仍不能稱之為一個真正的市場。在2016年，由Yole的分析師所估計的器官芯片及其周邊所有服務(wù)的總銷售額不超過7500萬美元，只有很少的器官芯片處于優(yōu)化生產(chǎn)和商業(yè)化階段。以器官芯片為主頁的公司大多都源自于大學(xué)或者研究所的實驗室，通過與微加工產(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評估自己所研發(fā)的產(chǎn)品，但是這些保守的企業(yè)需要繼續(xù)花更多的時間來適應(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，市場從2011-2022年的年復(fù)合增長率為38%-57%，在2022年達(dá)到6000萬到1.17億美元，而且這僅僅是第一步[2]。如下圖所示：
毫無疑問，這些器官芯片技術(shù)倘若中長期成長起來有可能成為未來價值數(shù)十億美元的潛在市場，這也能夠為醫(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市場最為在意和有益的：每年全球范圍內(nèi)有一百萬頭實驗動物被使用，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)生會極大地提高媒體報道的熱情，從而會忽視器官芯片技術(shù)層面中的阻礙。同時業(yè)內(nèi)和政府機構(gòu)對于少數(shù)被投資足夠資金的少數(shù)器官芯片研發(fā)機構(gòu)或者項目非常支持。
然而，這樣的投資將會繼續(xù)持續(xù)，大型制藥和化妝品公司都已開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)開始同微流控器官芯片機構(gòu)合作。除此之外，微流控器官芯片技術(shù)的開發(fā)和運用將改變療效和毒性測現(xiàn)有及正在開發(fā)的產(chǎn)品[3]這些將在后續(xù)文章中繼續(xù)展開。
（三） 多重技術(shù)上的挑戰(zhàn)仍需解決
盡管器官芯片技術(shù)取得了重大進展和應(yīng)用，但是器官芯片里行業(yè)內(nèi)的廣泛運用仍有很大距離，還存在幾個主要的技術(shù)難點需要攻克。
首先，如何成功的將的幾個不同的器官芯片連接起來精確地模擬整個身體對藥物藥品反應(yīng)的能力需要進一步被證實。有若干家公司正在研究多器官模型，但整體來看，離“人體-芯片”仍有很遠(yuǎn)的路要走，“人體-芯片”仍就是遙遠(yuǎn)尚未實現(xiàn)的夢想。為了解決各種需求，器官芯片的研究人員對自己的產(chǎn)品在器官種類、芯片類型和流體模式方面進行多樣化處理。
有報告指出，器官芯片以期能解決在藥物開發(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，在將來會被廣泛運用。另一個主要的問題是作為商品的器官芯片產(chǎn)量將會從每月或者每周幾臺設(shè)備，提高到更大的產(chǎn)量或者容量來符合市場的需求。實際上，一些企業(yè)已經(jīng)進入了倍增生產(chǎn)和相關(guān)材料和/或重新設(shè)計符合市場要求的器官芯片階段。
一個值得注意的特點是，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越多的接受來自初創(chuàng)公司尋找制造商合作伙伴的需求。一些代工廠剛開始的為器官芯片的制作提出量身定制的方案，并充分強調(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)開發(fā)人員需要充分認(rèn)識和考慮到的。
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，請聯(lián)系刪除）