圖片來源@視覺中國
文丨腦極體
新冠病毒可能成為人類歷史上最難對付的病毒之一。
當前，新冠疫情已經在全球造成數以百萬計的感染和數十萬人的死亡，然而病毒的蔓延似乎還將持續。即便在今年北半球的夏秋季節得到控制，大概率也會在今年底的冬春季節再次捲土重來。
現在，全世界估計沒有比研製出新冠病毒疫苗和特效抗病毒藥更緊迫的問題了。近期，由我國主導的全球第一個獲批臨床試驗的新冠滅活疫苗已經結束一期臨床試驗，目前正在進行二期臨床試驗。按照之前世衛組織的預計，新冠疫苗最快也要18個月才能問世。疫苗研發上的「中國速度」似乎會讓新冠病毒疫苗的到來更快一些。
然而更為嚴峻的情況是新冠病毒在傳播過程可能會出現變異。根據美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的一項最新研究，現在歐美地區主要流行的毒株已經是一種比新冠病毒大流行初期傳播的毒株更具有傳染性的新型毒株。如果新冠病毒能夠適應夏季高溫，並再次發生變異的話，正在研發的疫苗可能失效。
相關專家表示，密切監測新冠病毒的基因變異，針對病毒較為穩定的部分進行有效免疫，對全球的藥物研製和疫苗研發至關重要。
為加快疫苗和抗病毒藥物研製，研究者們正在嘗試採用一種被稱為「改變未來的顛覆性技術」 的新方法——器官晶片，來進行新冠病毒入侵免疫系統的機制研究，以及試圖縮短藥物的臨床試驗周期。
器官晶片的神奇之處到底何在，能夠在新冠疫苗的研製中發揮怎樣的作用？這是我們在這裡深入探究的重點。
什麼是器官晶片？
人體器官晶片的崛起，本身就有著強烈的現實需求和應用場景，那就是新藥研發。
首先，現代新藥的研發之所以成本極高、周期長且失敗率高的一個主因，就是藥物在進入臨床試驗階段的失敗風險非常高，因此提高對人體對藥物反應的預測的準確率，可以有效降低臨床試驗的試錯成本。
其次，當前臨床前期試驗的藥物模型預測主要來自於動物試驗。除了分析起來非常複雜、耗時耗力以及動物倫理問題外，動物的藥物模型最大的缺點便是無法準確地模擬人體系統。即使是像小白鼠這樣跟人類99%基因相同的動物模型都可能帶來很多藥物的預測偏差。
另外，一種代替動物試驗的體外細胞模型，具有快速、高通量的特徵，可以廣泛用於早期化合物的篩查。但是這種通過培養皿或多孔板培養的簡單細胞模型，生理功能不完整，無法反映組織間的相互作用和生理狀態下的藥物發生機理。
因此，醫藥研發需要一種精準性更高，更能反映生理機制的藥物篩選技術。構建一個百分百還原人體器官模型的技術還有點困難，但是通過逆向工程還原人體器官關鍵的部位和功能則是行得通的，器官晶片就在微流控技術的基礎上誕生了。
器官晶片（organ-on-a-chip），這個聽起來有點賽博格（Cyborg）意味的技術，並不如我們常見的半導體晶片那樣複雜和高深，其概念早在上世紀90年代就已經提出。
器官晶片技術是仿生生物學和微加工技術的結合，主要是利用微流控技術控制流體流動，結合細胞與細胞相互作用、基質特性以及生物化學和生物力學特性，在晶片上構建三維的人體器官生理微系統。微流控晶片系統能夠將微組織器官的直徑控制在毫米甚至微米級別，並且增強其營養交換，防止微組織器官的核心細胞的死亡。
通俗來講，器官晶片既不用完全按照完整的器官進行重建，又具有人體原來器官組織的生理活性和結構功能特徵，能夠成為預測人體對藥物反應和外界各類刺激反應的良好替代品。
人體器官晶片如何實現新藥檢測？
以上我們知道，器官晶片主要是模擬人體內部的組織環境，這一內部環境可以是某一塊器官組織，也可以是多個器官的組合，比如整個人體。
截至目前，已經發表的人體不同的器官晶片有：腸道晶片、肺部晶片、心臟晶片、肝臟晶片、血管晶片、腫瘤晶片、胎盤晶片以及集合多種器官晶片組成的人體晶片（human-on-a-chip）。
單個器官晶片的研發可以讓研究者更直觀地了解器官組織的生理機制的變化過程，也可以實現專門的藥物的功能的實驗和檢測。
比如，哈佛大學研製的一款腸道晶片，就可以還原人體腸道的三維的褶皺和小腸絨毛結構，甚至實現微生物群落的共生，因此可以很好地構建口服藥物的吸收、代謝模型。
再比如，在心臟晶片中還原心臟微環境中的三維結構，用於在心血管疾病藥物研發中觀測和對比心肌細胞在不同的刺激下的反應。研究者們成功地在晶片上測試了不同濃度腎上腺素對心臟肌肉細胞收縮性的影響。
此外，像肝臟晶片可以用於對某些藥物或病原體對於肝臟細胞的毒性或損害；血管晶片可以模擬人體中血管周圍環境與血管的物質交換，用於觀測心血管疾病藥物對血管表面的刺激反應；腫瘤晶片可以還原複雜的腫瘤微環境或者模擬腫瘤轉移，從而測試抗腫瘤藥物的效果；胎盤晶片可以模擬胎兒和母體之間的物質交換過程，促進對早產帶來的胎盤功能障礙的研究以及治療。
由於人體是一個由多個器官組成的高度複雜的系統，如果想要研究任何一種疾病或者檢測任何一種藥物的安全性和有效性，最理想的情況就是在一個完整的人體上進行實驗。那麼，構建模擬多個器官的「多器官晶片」，也就是「人體晶片」成為行業研究的熱點。
比如，近期科學家開發出一種包含五個容納不同類型細胞腔室的器官晶片裝置，通過循環營養液的通道連接模仿血液流動。
這一裝置用於研究藥物及其化學副產品對靶細胞和其他組織同時產生影響的程度，未來可以有效測量不同抗癌藥物對癌細胞以及心臟和肝細胞的影響。
未來，研究者的最終目標是將人體的肝臟、腸道、心臟、腎臟、大腦、肺部、生殖系統、免疫系統、血液循環系統和皮膚用器官晶片的方式連接到一起，組成真正的人體晶片，從而能夠更加完整和有效地研究不同疾病、藥物、化學物質以及食物對人體健康的整體影響。
抗擊新冠病毒，器官晶片有哪些用處？
為加速新冠病毒疫苗研發，我們需要首先了解新冠病毒在入侵人體時候的發生機制與發生過程，也就是要找到為什麼我們的免疫系統對其幾乎沒有抵抗力，這種病毒在入侵早期會對人體細胞造成哪些傷害。
由於現實中一個人被發現感染新冠病毒，很有可能已經是感染數天以後了，所以研究者很難找到早期感染者，特別是在24小時之內的感染者進行病毒入侵模式的觀察和檢測。而通過創建相關的器官晶片的模型，研究人員就可以詳細觀察新冠病毒在入侵人體早期是如何工作的了。
為此來自加拿大的研究人員正在利用多倫多大學研製的鼻子、眼睛、嘴巴和肺部的器官晶片來模擬新冠病毒的入侵方式。具體來說就是發現病毒突破我們人體的上皮細胞的屏障進入人體內部，而肺晶片的感染能夠研究免疫系統對新冠病毒的先天早期反應。
研究人員還將使用一種Powerblade的技術，用來標記被新冠病毒感染後的細胞分子，並給出相應的生物標記。未來如果用於疫苗的臨床前期的實驗，研究者就可以利用這一模型研究不同人體的先天免疫系統對新冠病毒疫苗會做出如何的反應。
我們可能仍然記得，在我國新冠疫情初期，某些機構通過體外細胞實驗的驗證，就宣傳某種藥物對新冠病毒有效，還一度造成全電商斷貨的鬧劇。結果遭到輿論和專家的批判，原因就在於他們僅通過簡單細胞模型來進行藥物有效性的證明，其結論是非常單薄的。
而通過器官晶片，新藥在上面進行有效性和安全性的篩選和驗證，就會比細胞模型有說服力，而且能部分替代動物實驗，縮短藥物臨床前研究的過程。
最近，在針對新冠病毒的抗病毒藥物的研製上，中國科學院大學的一支團隊正在利用器官晶片的方式，設計一種高通量的藥物篩選平臺，構建體外肺泡，以更好地縮短整個藥物研發的流程，從而加快推進整個特效藥的研發進程。
當然，我們也需要理性地認識到，在抗擊新冠病毒而進行的疫苗研發和抗病毒藥物的研製上，器官晶片仍然也只是起到前期的病毒致病機制的研究和後續藥物藥效篩選的輔助篩查的作用，也仍然以科研機構的基礎性研究為主，很難進入商業化研發的階段。
理論上來說，器官晶片以一種全新的方式來真實地重現人體器官的生理、病理活動，讓研究者直觀地觀察和研究機體的各種生物學行為，為了解新藥靶標的生物機制、為疾病的研究提供新的視角，同時為預測新藥的有效性和安全性、探索物種的差異性和意外的臨床表現提供了新的方法。
器官晶片還在從實驗室走向現實應用的道路上。如果此次對新冠病毒的感染機制研究和藥物研製中，器官晶片能夠發揮一定作用，也將能夠推動更多的醫藥企業和機構投入資源，加入到對這些改變未來的「顛覆性技術」的商業化進程當中。