中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

成长中的技术:如何用“芯片”打开精准医疗的想象空间?

2018-10-19

随着AI技术的发展,“个性化医疗”在近年来频频被提起,“个性化”象征的“精准”“高效”“智慧”使其成为改变医疗行业现状的有效切入点。比如智能导诊与患者实现互动,智能监测设备帮助进行医疗服务的追踪和个性化定制等。那么,个性化医疗只能被AI+医疗产品定义吗?恐怕不然。今天,智能相对论(aixdlun)就想跟大家聊聊另一层意义上的个性化医疗技术——“器官芯片”。

化整为零,真正的“个性化”医疗

说起个性化医疗,我们脑海中首先想到的就是基因医疗,也就是以个人基因组信息为基础,结合相关内环境信息,为病人量身设计出最佳治疗方案的一种定制医疗模式。

基因检测和治疗固然能为个性化医疗提供基础,目前也有通过基因检测发现癌症、糖尿病,进而采取精准医疗手段延缓病情的案例,但是,从基因医疗的发展进程来看,除少数疾病外,基因与疾病的关联性难以确定,比如“渐冻症”(ALS),数据显示,仅有少部分ALS与基因缺陷相关,而90%的散发性案例发病原因仍是未解之谜。

所以,将人体的整个基因程序列入个性化医疗的参考之列,其实是不太靠谱的。这时,器官芯片的出现给了人们新的参考指标。

“器官芯片”这个概念由来已久,在2016年就被达沃斯论坛列为“十大新兴技术”之一。根据中国科学院院刊的说法,器官芯片,指的是一种在芯片上构建的器官生理微系统,它以微流控芯片为核心,通过与细胞生物学、生物材料和工程学等多种方法相结合,可以在体外模拟构建包含有多种活体细胞、功能组织界面、生物流体和机械力刺激等复杂因素的组织器官微环境,,反映人体组织器官的主要结构和功能体征。

简单来说,就是在体外构建一个人体内生物学组织器官的简化版本,只保留器官功能和人体病理生物学的特征。“器官芯片”于个性化医疗的意义在于,将人体化整为零,把对“人体”精确的诊断改换成对“器官”的精确诊断,提供更有效、更有针对性的治疗。

通过利用患者来源干细胞,实现诱导多能干细胞来源器官模型的工程化构建,使个体化的疾病风险预测、药物药效评价、毒理评估和预后分析更加准确。目前,也有科学家利用特定病人的干细胞,构建功能性心脏组织,模拟累遗传性心脏病模型。

除了实现对人类的个性化医疗,器官芯片还有一个明显的好处,便是药物测试。这一点,对动物试验的改变将是革命性的。

一直以来,人们都是通过动物来试药,暂且不论用动物做药物测试是否人道。从实验准确性的角度来讲,尽管动物与人类共享的基因比例高达99%,但剩下的1%,仍然会造成极大的变量,从而导致两个物种之间产生巨大的生理差异。同一种药物,在动物体内和人体内的反应可能是截然不同的。即便是极小的表达差异,也会随着药物研发进程的推进而被不断放大,最终导致整个项目的失败。

“器官芯片”因为更接近人体,能够更加有效地用于药物测试,10月11日,《科学进展》上就报告了一种在微流控芯片上制作神经元和肌肉组织的3D方法,借助这种芯片,科学家可以替“渐冻人”试新药。

仿真性、成本、连接……器官芯片要面临的问题

器官芯片的概念提出已久,产业化的进程却十分缓慢,探究其中原因,大致可以分为三点。

首先,即使是最先进的器官芯片,也无法完全代表活体器官的功能。毕竟,所有的器官都不可能脱离机体单独存在。虽然化整为零具有建设性的意义,但整体大于部分,仅依靠器官芯片是无法复制疾病机体的,尤其是内分泌环境所导致一系列功能变化。

因此,我们必须考虑人体这个整体的关联性,在这方面,我们可以利用单个芯片组成一个高集成度的3D组织器官微流控芯片系统。大连理工大学的研究团队就研发出了这样的芯片系统,该芯片系统由多种模块自上而下依次叠加构成,集成了肠、血管、肝、肿瘤、心、肺、肌肉和肾等细胞或组织,并有“消化液”,“血液”和“尿液”贯穿其中。如此,器官芯片就像一个积木,将所有的积木堆积起来,就能最大程度地打造一个“人体建筑”,还原人体内功能环境,并实现药物测试等作用。

其次,器官芯片仍是一个成长中的技术,产业链的不成熟将导致成本增加。Oxford的CNBio公司用装有12个微型肝脏的芯片做药物的毒性试验,目前一个单元的价格是22000,单位是美元。事实上,这个价格比起动物试验已经低廉很多,要知道,做同样的试验,小鼠的价格为$50000美元。

但是,这所谓的“低廉”放在产业化进程中,依旧是要打上问号的。目前来看,器官芯片在科研上使用居多,而科研经费也足够支撑该类工具的使用,但我们对器官芯片更大的希冀是落地于普通人的医疗,如果器官芯片要走向产业化,仍需要控制成本。当然,随着产业链的完善,其优势会慢慢凸显出来,成本问题也会得到相应的解决。

在此之前,我们或许可以将3D打印技术作为器官芯片制作方法的重要补充。3D打印技术至少会在两个方面对器官芯片造成影响,一是芯片制备,二是生物打印。尤其在芯片制备上,3D打印已经能够制造出有很高分辨率,结构复杂的芯片,还具备制作周期短,单元操作简单、成本低廉的优点,哈佛大学Wyss生物工程研究所和哈佛JohnA.Paulson工程和应用科学院的研究人员就利用3D打印制造出了首个完整的带集成传感系统的器官芯片。

最后,微流控芯片普遍存在有一个问题,即宏观试样与微芯片的衔接不易。目前,芯片上的进样多采用手工完成,效率低下,可靠性也较差,极容易影响细胞的活力,进而影响细胞进程和生物特征的实时检测,因此,我们还需要研发出更多的协助性产品,比如连续进样系统,保证在制备上做到自动化、微型化和集成化。

结论:

个性化医疗发展至今,已经积累了许多的技术成果。随着技术的不断发展,我们对“个性化”“精准”也提出了更多的要求,器官芯片之于人类的意义,在于人们可以真正地“对症下药”,而不去“损伤”其他的组织器官。随着人们研究的深入,器官芯片技术必将广泛应用于生命科学、医学、药学等领域的研究中,为个性化医疗带来更多可能。

来源: 互联网