《科学画报》
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用芯片再造一个你
2018-05-03 23:05:00如果某人的大脑不幸被戳刺，大脑内部会发生怎样的反应？类似的问题正是美国科学家威廉姆斯要解决的问题，他正致力于研究大脑如何应对伤害，而且已经有了很多新发现。他说：“我们发现，免疫细胞比我们以前所预想的反应快得多。以前，我们以为器官受伤几小时甚至几天后免疫细胞才开始有所反应。但是，研究发现，它们能在几分钟之内做出反应。”最近，在波士顿举行的一次国际医学研讨会上，威廉姆斯报告了有关免疫反应的新发现。
威廉姆斯实验用的样本其实是一块芯片，其中含有取自于小白鼠的大脑组织。这些用于科学研究的人造器官被称为“芯片器官”。大脑是新近才被复制成芯片的器官。其实，在这之前，已经有很多器官被复制成了芯片，比如，心脏、肺、肝脏、输卵管，等等。现在，威廉姆斯等人正致力于找到把这些芯片器官连成一体的方法，这是迈向研制“用芯片模拟动物个体”模型的重要一步。
每一个芯片器官都含有活的动物细胞。这些由营养液维护的动物细胞能显示身体内部的细胞反应，而这是从前传统的细胞培养望尘莫及的。例如，美国哈佛大学的研究人员英格博在2010年研制出“会呼吸”的芯片肺。
英格博认为，芯片器官也可用于展示人类器官对药物的反应；芯片器官甚至有望减少用活体动物来进行药物检测的现象，使用动物进行药物检测耗时耗钱，而且动物毕竟不同于人，不能在药物检测中全权代替人类。威廉姆斯并不完全赞同这种观点。他认为，即使最复杂的芯片器官，也不能完全重现完整活体器官的功能。“我们想通过对活体动物完整的大脑进行研究，解开包括动物行为在内的很多谜题。”威廉姆斯说，“即使能用芯片完全复制整个大脑，也不能复现动物的某些行为。”
英格博还指出，芯片器官实验能实现动物实验不能实现的事情。比如，可以用某个人自己的细胞建立个人化的芯片器官。理论上，在对患者手术之前，医生可以把生物组织样本送往实验室，让研究人员利用芯片器官来检测某种治疗方案的有效性。这将对癌症患者非常有用，因为现有的不同治疗方法对不同的患者效果各异。英格博说：“对于某种药物是否有效，利用芯片器官就可以很快得到答案。个性化的芯片器官可以使临床实验更加迅速。”
我们知道，不同人群对特定类别的药物会有不同的反应。将来，通过使用含有这些人体细胞的人造器官来进行临床实验是十分可能的。为了实现这个目标，英格博和他的同事帕克，不仅努力构建各种不同的芯片器官，而且尝试把这些器官芯片有机地连接在一起。2011年年初，在美国华盛顿特区举行的年度毒理学会会议上，帕克展示了通过小鼠胚胎干细胞分化的心脏细胞，还有一个弹性高分子聚合物所制作的“能跳动的芯片心脏”。
“芯片心脏有点像水果卷。”帕克说，“人造肌肉只附着在高分子聚合物的一个侧面上。”芯片心脏上的细胞是肌原性的，它们自己会跳动，就像活体心脏中的细胞一样。通过测量高分子聚合物弯曲的程度，帕克可以知道细胞是否能合适地收缩。这些特点使他的芯片心脏成为测试心脏衰竭药物的理想模型。心脏衰竭是心脏细胞没有足够收缩能力的一种病理现象，研究人员正在和制药公司联合研发相关药物。
帕克准备将自己研制的芯片心脏和英格博研制的芯片肺结合在一起。他们正在尝试模拟自然状态下器官与器官之间的相互联系和作用。这个人造“心-肺”设备对于测试气溶性药物，以及吸入物质和常规的空气污染对心脏的影响可能会非常有效。他们的最终目标是测试芯片肺是否可以给芯片心脏供氧。如果研究人员找出解决这一难题的方法，那么在理论上讲，他们已经可以成功模拟人体发生的活动。帕克说：“一旦我们能够把芯片心脏和芯片肺连接在一起，那么将其他的器官填补上去是我们想要去做的一项大工程。正如将其他芯片器官放上去一样，毫无疑问，我想把芯片大脑也放上去。”
威廉姆斯和他的研究团队在多个芯片上培育了大脑不同区域的细胞。其中一种是脑干上的脑髓质细胞，它们负责参与机体自动控制，比如呼吸活动。“我们发现，这些芯片上的细胞能持续不断地输出神经信号。这些神经信号可使一个正常的人进行呼吸活动。”威廉姆斯说。
因为单个芯片器官无法真正模拟出个体的某项行为，所以“用芯片模拟动物个体”模型可能最终会作为终极实验工具。“用芯片模拟动物个体甚至人体，不是一夜之间就可以完成的工作。”帕克说，“但是，一旦这项研究获得成功，将给药物发明和药机理等基础研究领域带来莫大福音。或许在不久的将来，可以用芯片再造一个你，让芯片人体作为你自己的试药替身。”
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