哈佛大學韋斯研究所的生物工程師們結(jié)合電子技術(shù)與生物科學技術(shù)，創(chuàng)造出了一種“器官芯片”，希望能夠用微芯片復制人體器官的功能，從而減少甚至取代昂貴而耗時的動物實驗，使醫(yī)學實驗變得更為簡便。

動物實驗在現(xiàn)代醫(yī)學與生物學中占據(jù)了極為重要的位置，但是經(jīng)費以及動物倫理也成了難以回避的問題。哈佛大學韋斯研究所的生物工程師們試圖減少甚至取代昂貴而耗時的動物實驗——他們結(jié)合電子技術(shù)與生物科學技術(shù)，創(chuàng)造出了一種“器官芯片”，希望能夠用微芯片復制人體器官的功能，使醫(yī)學實驗變得更為簡便。

“器官芯片”并不是那種利用硅電子芯片進行人體器官模擬的模擬器，而是含有真正人體活體細胞的生物芯片。到目前為止，哈佛的工程師們已經(jīng)制造出了“肺芯片”、“心臟芯片”以及“腸芯片”。在最近研發(fā)出的“腸芯片”中，工程師將一層人體腸道細胞植入到一小張柔性多孔薄膜中，然后再將薄膜附著到芯片壁上，利用小型空氣泵的沖擊，薄膜就可以像真正的人體腸道蠕動一樣伸展和收縮。這樣制造出來的“腸道芯片”與真實的人體腸道極為接近，它的表面甚至能夠允許細菌的生長。

在韋斯研究所制造的“肺芯片”中，他們在芯片頂部植入了人體肺部細胞，中部加入了一層薄膜，又在底部加入了人體毛細血管細胞。同樣利用空氣泵，將空氣從芯片頂部通入，芯片底部的“人體血液”就會開始流動，同樣會像真正的人肺一樣伸縮。

這些芯片的制作與最近興起的“芯片實驗室”（LoC）技術(shù)息息相關(guān)，結(jié)合了微流體技術(shù)和硅芯片技術(shù)，大大加速了生物系統(tǒng)的分析過程。比如DNA的分析，利用這些技術(shù)，我們可以在短短幾個小時中獲得整個基因序列組信息，而在以前這個工作可能要花費數(shù)周甚至數(shù)月。

在藥物測試方面，“器官芯片”的優(yōu)點顯而易見：他們可以極高程度地模擬真正的人體測試，同時透明的芯片能讓觀測變得非常容易。當研究人員需要測試一種藥物時，只需要將藥物所含化合物加入芯片，再觀察芯片中的腸道細胞（或是心、肺細胞）如何反應即可；人們也可以利用“器官芯片”測試藥物（或者食物）的吸收速度，或是益生菌對人體器官的作用。韋斯研究所的研究人員已經(jīng)利用“肺芯片”進行過毒素及污染物測試。

更重要的是，這些“器官芯片”可以幫助人們更好地了解和處理疾病。很多種人類疾病是沒有動物模型可供測試的，比如“克羅恩病”——這種病也稱為“節(jié)段性腸炎”，多發(fā)于青年女性身上，但至今發(fā)病原因不明，也缺乏有效的治療手段，最大的原因就是無法找到同樣患有這種疾病的動物來進行藥物測試，而利用“腸芯片”這個問題就迎刃而解了。同時，在醫(yī)學界也經(jīng)常遇到這樣一種情況：某種藥物通過了動物實驗，卻無法通過人體實驗，因而無法真正投產(chǎn)上市，還造成了嚴重的成本浪費。如果藥物研發(fā)機構(gòu)直接使用“器官芯片”進行測試就可以省去動物實驗步驟，節(jié)省大量的時間和金錢，還避免了許多動物保護方面的道德問題。

目前，韋斯研究所的“器官芯片”項目已經(jīng)得到了美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的資助，他們正在進一步研發(fā)“脾臟芯片”。但“脾臟芯片”卻不是為了藥物測試而研發(fā)，美國國防部希望他們能夠創(chuàng)造出一種“便攜式脾臟”，來幫助士兵抵抗敗血癥。

這也讓我們看到了“器官芯片”的另一個發(fā)展方向：如果我們能夠完美模擬內(nèi)臟的運作，那么是不是可以將這些芯片植入人體來增強甚至替代現(xiàn)有器官呢？又或者，未來的某一天我們可以將一大堆“器官芯片”組裝到一起，創(chuàng)造出一個完整“人體芯片”？

但是也有人提出，“器官芯片”的使用可能會受到較大的限制，目前看來“器官芯片”只能植入單一類型的器官細胞，而人們利用動物進行藥物測試的一大原因是可以觀察到藥物對整個生命系統(tǒng)的作用，各種器官之間的相互作用是其中非常重要的因素，而“器官芯片”能不能進行組合實驗仍是個未知數(shù)。所以，這種新型實驗芯片未來能否真正取代動物實驗，還有待時間驗證。




相關(guān)導讀

MIT發(fā)明植入大腦的血糖電池

MIT的工程師們最近造出了一款神奇的電池，該電池可以被植入大腦，通過大腦和脊髓循環(huán)的血糖獲得充能。理論這款電池可以為人體內(nèi)的低能耗的計算芯片與傳感器供能，比如植入殘障人士體內(nèi)控制假肢的傳感器。

麻省理工學院的神經(jīng)工程師們最近造出了一款神奇的電池，該電池可以被植入大腦，通過大腦和脊髓循環(huán)的血糖獲得充能。理論上該款電池足以為低能耗的計算芯片與傳感器供能。理想中，它可以為殘障人士體內(nèi)的大腦解碼裝置供電，以實現(xiàn)假肢的智能化。

該電池的材料是硅和鉑，采用了標準的半導體制作工藝。鉑的作用是充當催化劑，就好比動物體內(nèi)的酶。鉑幫助電池從葡萄糖分子上吸走電子，就好比酶和氧氣幫助動物細胞從葡萄糖上獲得電子。電池功率可達數(shù)百微瓦（也就是不到1毫瓦），與計算器上的太陽能電池相比這是個不低的水平。這種功率的電池為復雜的計算芯片供能綽綽有余。不過也正因它的能量來自腦內(nèi)的血糖，大腦獲得的能量會因被剝奪而下降。科學家的解釋是，人可能會更容易感到饑餓，但是不會察覺出任何的差別。

目前麻省理工大學的科學家們造出最大的電池有2.5英寸*2.5英寸（約64mm*64mm）大小，也有一些較小的型號。雖說電池越大性能越好，不過如果要在大腦內(nèi)植入64mm*64mm的異物也許還是會有些太大了。大腦是人體內(nèi)最重要的器官之一，電池的大小要經(jīng)過謹慎考慮。

此款電池存在兩個亮點，首先它完全是可以量產(chǎn)的，其次它采用的是有著幾十年歷史的標準半導體制作工藝，基本不存在技術(shù)門檻。血糖電池并不是最近才提出的新概念，之前就有血糖電池的存在，主要的用途是為起搏器供能。之前所研發(fā)出的體內(nèi)輔助設(shè)備都有能源的問題，必須不定時更換電源。現(xiàn)在，有了這么一款血糖電池，設(shè)備就可以自給自足了。這次的血糖電池的突破點在于使用鉑作為催化劑，而之前的血糖電池采用的是生物酶，這就需要定期更新電池內(nèi)的生物酶，有不少的麻煩。鉑的催化性能十分可靠，也不會引起免疫系統(tǒng)的排斥反應。而且把電池安裝在腦脊液里也可以避開白細胞。