在指甲蓋大小的芯片內，注入人體干細胞并持續輸送氧氣及培養液，即可培育出模擬人體器官功能的“微型器官”細胞團。11月18日，位于鄭州航空港區的河南省醫學科學院對外公布，我省首個“AI+超高通量類器官芯片智能自主實驗平臺”正式啟動，這一平臺不僅填補了省內該領域全自動化研究空白，更推動生物醫學前沿技術加速邁入臨床應用，為精準醫療、藥物研發和疾病研究開辟新路徑，讓“以身試藥”成為歷史，以小“替身”發揮大作用。
給細胞“搬新家” 芯片里藏著“微型人體器官”
類器官芯片究竟是什么？簡單來說，它是一種用工程化方法在體外構建的三維動態細胞培養系統，相當于把人體細胞或組織“復制”到芯片上，模擬其在體內的生長環境。作為生物醫學領域的前沿交叉技術，它憑借高度模擬人體器官生理功能的能力，已成為臨床前藥物篩選、疾病機制解析與個性化醫療探索的核心工具。
長期以來，新藥研發在臨床前階段主要依賴二維細胞培養或動物模型，但約有90%的臨床試驗以失敗告終。“動物與人體的生理差異太大，很多在動物身上有效的藥物，到人體后要么無效要么有嚴重副作用。”河南省醫學科學院AI+類器官芯片平臺研發工程師周林博士解釋道，而類器官芯片能精準模擬藥物毒性和有效性，既縮短研發時間、降低成本，還能大幅提升臨床轉化成功率。
如今，大家所關注的“精準醫療”，其核心需求之一就是“選對藥”——如何確保藥物恰好對患者有效？這就需要體外模型充當“試藥替身”，類器官芯片正成為解決這個問題的關鍵。
以胃癌為例，有的是a基因突變引起的，有的是b基因突變導致的，因此治療藥物的選擇需因人而異。以前，醫生只能依靠經驗向患者推薦一線、二線藥，可腫瘤卻很有“個性”，驅動基因不一樣，對藥的反應也不同。
這時候，研究員就可以從患者的手術、腹水或穿刺樣本中提取腫瘤細胞，在實驗室里培養成“腫瘤類器官”——依賴腫瘤干細胞的自我更新和分化潛能，誘導“生長”為一團和體內腫瘤很像的細胞團。這些類器官在基因和標志物表達方面與原始腫瘤基本一致，比如有的腫瘤會高表達EGFR基因，它對應的腫瘤類器官也會這樣。把這個“微型腫瘤”搬到芯片上，就能當作患者的“替身”進行試藥，如果“患者”使用一線的A類藥品化療后腫瘤沒縮小，而芯片上的類器官藥敏實驗顯示該患者對A類藥品不敏感，對B類藥品敏感，那么醫生就有針對性地知道應該如何換藥。
給細胞“蓋好房” 全自動化設備當“金牌管家”
想讓芯片里的細胞好好生長、發揮作用，就得給它們蓋個舒服的“生理房間”，該平臺就使用全自動化設備當作“金牌管家”，將“房間”打理得井井有條。這套全自動化系統整合了耗材堆棧、機械臂、自動培養箱、移液工作站等好幾個“幫手”，功能十分齊全。
據了解，首先第一步就是搭“房骨架”，使用無毒、可降解還能和人體兼容的材料，做出模擬人體器官生長環境的芯片。隨后，把培養好的類器官通過專門通道“請”進芯片，再用微流控技術“通上水和養分”——芯片里的通道當作血管，培養液當作血液，一直流動著給類器官送氧氣、送營養，就像在人體內一樣。
而且，這個“管家”還能自動給不同規格的芯片分裝細胞、換培養液、加藥、染色，同時檢測細胞活性、毒性這些關鍵指標，每天能穩定工作超6小時。
“人工手動操作容易污染、出錯，全自動化設備就沒這些問題。”周林博士表示，有了這個“好房子”，不僅臨床試藥更靠譜，還能幫到藥企和科研機構，藥企測新藥的肝毒性、腎毒性時，無需再使用動物，避免了倫理爭議，數據也更貼合人體。科研團隊想研究膿毒癥、罕見病，也能在芯片上搭建疾病模型，更真實地探索疾病是如何發生的。
給芯片“裝大腦” AI助力實驗“快準穩”
而這個平臺最厲害的地方，是給芯片“裝”了個AI“大腦”，把“AI+超高通量”技術融到了一起，解決了傳統實驗規模小、效率低、不夠智能的問題。
平臺利用“自動化培養系統+高內涵成像系統+AI數據分析系統”這三大“核心部件”，形成了從類器官培養、檢測到數據分析的全流程閉環，實現了實驗“自己跑、批量做、可追溯”。
類器官芯片實驗會產生一大堆生物數據，AI“大腦”能快速處理這些數據，找出規律、建立預測模型，比如預測藥物效果、模擬疾病發展；計算機視覺技術還能自動分析細胞圖像，數細胞數量、看細胞形態，比人手動做快多了。“以前手動做一次藥敏實驗要好幾天，現在有了AI幫忙，速度快了不少，還能減少人為誤差，保證每次實驗條件都一樣。”周林博士說。
平臺啟動后，能讓類器官芯片技術成為臨床前實驗的“新標準”，讓實驗室里的研究更快變成能給病人用的技術，幫助解決腫瘤、神經系統疾病、代謝性疾病等精準診療難題。同時，平臺還會開放技術和資源，給省內的高校、科研院所、醫院和藥企提供幫助，一起打造生物醫學創新“朋友圈”。
據預測，2027年全球器官芯片市場每年會以30%的速度增長。未來，河南省醫學科學院還會繼續升級“AI+類器官芯片”技術，圍繞疾病研究、新藥研發、精準醫療發力，爭取把平臺建成國際領先的技術中心，用前沿科技守護大家的健康。
本報記者 劉凌智
《鄭州晚報》版面截圖
