从芯片里“长”出器官 深圳先进院与耀速科技成立器官

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  “在这个巴掌大小的芯片里,有着类似血管的装置,把干细胞注入其中并输送氧气、培养液,过段时间便会‘长’出细胞团,可以模拟器官组织的各种功能。”中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称“深圳先进院”)

  2023年10月,深圳先进院与生物科技初创公司耀速科技成立了器官芯片联合实验室,双方将共同加速器官芯片技术在生物医学研究、药物开发以及个性化医疗等领域的应用与发展,推动科学研究和医疗健康产业的创新进步。

  长期以来,新药研发临床前需要用到二维的细胞培养或动物模型实验,然而大约90%的临床实验都以失败告终。器官芯片的出现,为新药研发临床测试提供了一种新的选择。

  司龙龙告诉记者,器官芯片是用工程化的方式在体外重新构建出模拟重要结构和功能的一种三维、动态的细胞培养方式。“相当于把细胞或组织器官‘复制’到芯片上,在体外构建出接近于体内的生长环境。”

  2021年底,耀速科技正式成立,开启器官芯片的研发之路。为增强研发力量,耀速科技“盯上”了深圳先进院。

  “我们公司在微流控技术、疾病模型构建、细胞成像以及AI驱动的数据分析等领域都有显著的技术优势,深圳先进院在揭示疾病机制、学以及自动化研究等方面也有着深厚的研究积累,两家机构的紧密合作将实现资源互补。”耀速科技公司联合创始人兼CEO谢鑫说。

  器官芯片有哪些优势?在谢鑫看来,相比于其他临床前模型,器官芯片能够更好地模拟药物的毒性和有效性,可以更准确反映出药物对的真实作用效果,从而缩短药物研发的时间,降低开发成本,增加临床预测和转化成果率。

  “比如肿瘤药物对的毒副作用是很大的,但有了器官芯片,就可以把患者的细胞‘种’在芯片上,在体外作用药测试,看看哪种药物对病人更有效。”谢鑫认为,对于临床医疗来说,器官芯片为实现精准医疗提供了技术保障,例如对癌症病人的药物敏感性测试、对罕见病人的药物筛选等。此外,器官芯片能够更好地还原细胞的基因表达调控网络,借助于基因组筛选或高通量测序,能发现传统方式难以发现的靶点。

  如何让细胞在外也能正常生长?如何在芯片上构建接近于内的生理“房间”?“首先要给细胞搭建好‘骨架’。”司龙龙表示。

  司龙龙说,第一步需要将模拟结构的芯片“骨架”制造出来,然后将细胞通过特定的通道注射进去,让细胞在一个三维的环境下生长。

  “器官芯片中需要精确控制液体流动,这当中我们需要用微流控技术模拟血液或细胞外液在器官中的流动,提供类似于体内血液流动的生存环境,包括氧气与养分的交互、药物的交互等。”司龙龙告诉记者,细胞在这样合适的环境下就会长成一团细胞,可以模拟体内的器官组织、结构和功能环境。

  谢鑫表示,器官芯片是一个学科高度交叉的行业,包括生物学、材料科学、工程学、计算机科学等多个领域的知识和技术,研发过程中在材料选择、组织工程、传感器集成、数据处理与模型分析、模拟体内环境等方面都有“学问”和“讲究”。

  “比如器官芯片需要使用与生物相容性好的材料来模拟器官的微环境,这些材料必须是非毒性的、可生物降解的,并且要有足够的强度和灵活性。同时,构建器官芯片需要模拟真实器官的三维结构,这涉及复杂的组织工程技术,需要在微小的芯片上重建器官的结构和功能。”谢鑫说,“再比如器官芯片需要模拟内的环境,包括温度、压力、pH值、化学成分等,这些条件的稳定性对细胞行为有着至关重要的影响”。

  根据行业研究机构预计,到2027年全球器官芯片市场将以30%的复合年增长率快速增长。面对巨大市场前景,器官芯片未来发展有何趋势?产业化之路走向何方?市场把目光看向了“AI+类器官芯片”。

  此次深圳先进院与耀速科技联手研发的器官芯片,融合了AI技术。“我们将器官芯片与高内涵三维细胞成像(3D)、计算机视觉(CV)和人工智能(AI)相结合进行药物发现,机器学习和计算机视觉技术使得器官芯片的应用更加广泛和强大,能够提供更深入的生物学见解,并在药物开发、疾病诊断和个性化医疗等领域发挥重要作用。”谢鑫表示。

  具体来说,谢鑫认为,与AI结合后,器官芯片可以产生大量的生物数据,机器学习可以高效地处理这些数据,识别模式,进行预测,并从复杂的数据中集中提取有用信息。同时,计算机视觉技术可以用于自动化地分析器官芯片中细胞的图像数据,比如细胞计数、形态学分析、追踪细胞运动等。

  司龙龙表示,机器学习可以帮助建立器官芯片数据的预测模型,用于药物反应预测、疾病发展模拟等。“随着预测模型越来越多,形成统一标准后,用器官芯片做实验也可以通过自动化的手段了,未来可以与深圳研究重大科技基础设施进行合作,通过自动化的方式减少人为错误,保证实验条件的一致性。”

  “目前,我们团队在肺器官芯片模型领域已非常成熟,未来3年,联合实验室将基于耀速科技的芯片技术和深圳先进院在基础研究和转化研究方面的科研优势,围绕器官展开全方位的合作,包括肿瘤芯片模型的搭建以及行业标准的制定,共同推动深圳合成生物产业高质量发展,促进深圳生物医药产业迈上新台阶。”司龙龙说。


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