由于人類與動(dòng)物的生理結(jié)構(gòu)不同，因此傳統(tǒng)臨床實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)無法照搬到人體實(shí)驗(yàn)中去。但是，隨之著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的芯片技術(shù)的成熟，其中“器官芯片”將逐漸取代動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，可為不同病患者訂制藥物，達(dá)到精準(zhǔn)醫(yī)療目的。
這里所指的“器官芯片”(Organs-on-chips)，也稱微流控芯片、芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-Chip)，是一種以在微納米尺度空間中對(duì)流體進(jìn)行操控為主要特征的科學(xué)技術(shù)，具有將生物、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)室的基本功能諸如樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測(cè)等縮微到一個(gè)幾平方厘米芯片上的能力。其基本特征和最大優(yōu)勢(shì)是多種單元技術(shù)在整體可控的微小平臺(tái)上靈活組合、規(guī)模集成。
將微量的化學(xué)物質(zhì)或微生物送到模仿完整器官(如肺臟、心臟等)結(jié)構(gòu)和功能的單元芯片，即可仿真出相同化學(xué)物質(zhì)放到真實(shí)人類器官中，所可能會(huì)發(fā)生的狀況。
換句話說，器官芯片不是創(chuàng)造人類整個(gè)完整器官，而是仿真人體器官中的最小功能單元，實(shí)現(xiàn)藥物或化學(xué)物質(zhì)在非活體環(huán)境(in vitro)中，研究活體環(huán)境(in vivo)的交互反應(yīng)，用來了解、評(píng)估疾病、藥物、化學(xué)物質(zhì)與食物等對(duì)人類影響的3D芯片設(shè)備。
2015年英國(guó)年度設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，不是頒給谷歌的無人車，也不是清除海洋塑料計(jì)劃，而是頒給美國(guó)哈佛大學(xué)韋斯生物啟發(fā)工程研究所的器官芯片;這是英國(guó)年度設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，首度由醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得大獎(jiǎng)。 現(xiàn)代美術(shù)館(MoMA)也將器官芯片納為永久收藏。
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)成效未必適用人體
以韋斯生物得獎(jiǎng)作品為例，就是仿真人類肺臟的器官芯片。 韋斯生物將半導(dǎo)體芯片的概念導(dǎo)入，將活的人體器官細(xì)胞植入芯片，使芯片可以仿真細(xì)胞在人體內(nèi)的環(huán)境。 其芯片的主要架構(gòu)，是在槽道中設(shè)置三個(gè)并列的流體信道，兩邊的信道是真空信道，中間的信道則是植入細(xì)胞的信道。
為了仿真肺臟構(gòu)造，韋斯生物在中間信道的正中間放置一層布滿小孔的生物薄膜，并在薄膜上鋪滿一層肺泡細(xì)胞，薄膜的另一面鋪滿血管細(xì)胞。 因此，薄膜上面可以流通空氣，下面可以流通血液。
另外，兩側(cè)的真空信道也設(shè)計(jì)成可收縮的結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)帶動(dòng)中間的信道一同收縮，于是肺泡細(xì)胞也跟著收縮，再將空氣與血液導(dǎo)入芯片，就可仿真正常肺臟運(yùn)行環(huán)境。 同樣地，如果要仿真肺臟感染或?qū)μ厥馕镔|(zhì)的反應(yīng)，只要將病毒、養(yǎng)分、細(xì)胞或相關(guān)物質(zhì)導(dǎo)入器官芯片，即可透過顯微鏡“看到”接下來可能發(fā)生的變化。
德國(guó)康斯坦茨大學(xué)毒理學(xué)教授Marcel Leist曾說：“人類絕對(duì)不等于70公斤的老鼠。 ”一語道出傳統(tǒng)臨床實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵問題。
因?yàn)槿祟惻c動(dòng)物的生理結(jié)構(gòu)不同，為了實(shí)驗(yàn)需求，常將人類獨(dú)有的癌細(xì)胞或其他病原，移植到老鼠、兔子或是猴子身上;問題是，即使在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段結(jié)果良好，也無法保證轉(zhuǎn)換到人類身上時(shí)，同樣安全或同樣有效果。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，至少30%藥物分子沒有機(jī)會(huì)上市，就是因?yàn)槎拘曰蛉梭w肝臟無法代謝;這也是很多藥無法通過臨床一期(確認(rèn)毒性)或臨床二期(確定劑量及效性)的原因。
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