器官芯片 Organ-on-a-chip-汶颢股份
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器官芯片 Organ-on-a-chip

器官芯片(Organ-on-a-chip,OOC)即就是模拟整个器官和器官系统活动、力学特性和生理反应等的多通道3D微流体细胞培养芯片。微流控芯片(Lab-on-a-chip,LOC)和细胞生物学的融合,使得在特定器官的环境中研究人体生理学成为了可能,建立起一种新型的多细胞生物有机体模型。此模型的出现对生物医药领域产生了重大影响。

(一) :能够解决新药研发中主要障碍的工具

新药市场是任何医药公司都需要必经的最长,最贵的道路。研制新药的过程中,医药公司始于成千上万的可能对疾病或者人类生存有积极影响的化合物。如果幸运的话,在12年甚至以上的时间内花费了数十亿美元之后,能够在这些化合物中得到一种可进入市场的药物。这个药物研发的过程需要面对可能存在于任何一个阶段所有可能的失败。而目前的研究方法:在培养皿中的细胞培养其他动物活体试验并不能完全对化合物进行预测。这些方法所筛选出大约90%药物已被证实,在临床试验中由于毒性或缺乏疗效而被宣判失败。因此,制药行业需要更多的预测筛选工具,能使不合适的候选药物在更早的时候被发现失败,这样能大大减少资金的花费。此外,还有报道指出即使是这样的方法所筛选出的药物还会忽略掉真正对人类有疗效的潜在化合物。

同样在其他行业若干可解决这些问题的技术已经被研究,而最有希望的当然是器官芯片。微加工技术和生物学的结合以与内衬活细胞微工程装置的方式重构出具有生理和力学功能的人体器官。精确地控制流体的运动以及组织-组织界面动态模型,这样的方式远远比传统的静态细胞培养更加接近体内。

器官芯片技术越来越被重视的直接表现在于越来越多的经费涌入这一领域。如器官芯片的研发机构获得了巨额的研发经费:美国国防部高级研究计划局(DARPA,Defense Advanced Research Projects Agency)和国家卫生研究所(National Institutes of Health,NIH)在未来的五年期中分别获得了1.4亿美元和7600万美元的经费。与此同时,2012年开始,商业技术研发人员已经从投资者处,募集了超过 8000万美元,详细情况如下图所示。

投资详细表 

(二) 小市场,大功能以及市场炒作

器官芯片的研究始于2000年左右,但一直到2010年后,才由于媒体的报道和资金的涌入才走上了快速发展的轨道。尽管器官芯片的出现是研究者和工业界所梦寐以求的工具,但现在微流控芯片的相关产业仍不能称之为一个真正的市场。在2016年,由Yole的分析师所估计的器官芯片及其周边所有服务的总销售额不超过7500万美元,只有很少的器官芯片处于优化生产和商业化阶段。以器官芯片为主页的公司大多都源自于大学或者研究所的实验室,通过与微加工产业技术人员合作,反复优化他们所发表在文章或者发明中的微流控器官芯片模型。

制药机构和化妆品企业都希望能利用不同的器官芯片作为解决方案来评估自己所研发的产品,但是这些保守的企业需要继续花更多的时间来适应这样的新兴技术。器官芯片公司将克服技术挑战和高档产品,市场从2011-2022年的年复合增长率为38%-57%,在2022年达到6000万到1.17亿美元,而且这仅仅是第一步[2]。如下图所示:

市场分析图标 

毫无疑问,这些器官芯片技术倘若中长期成长起来有可能成为未来价值数十亿美元的潜在市场,这也能够为医药或者其他行业节省数十亿美元。

而伦理道德仍然是这个市场最为在意和有益的:每年全球范围内有一百万头实验动物被使用,而这些都可以潜在的被微流控器官芯片所替代。而这种情况的产生会极大地提高媒体报道的热情,从而会忽视器官芯片技术层面中的阻碍。同时业内和政府机构对于少数被投资足够资金的少数器官芯片研发机构或者项目非常支持。

然而,这样的投资将会继续持续,大型制药和化妆品公司都已开始使用微流控器官芯片,如欧莱雅,辉瑞,阿斯利康,罗氏公司和赛诺菲等都已经开始同微流控器官芯片机构合作。除此之外,微流控器官芯片技术的开发和运用将改变疗效和毒性测现有及正在开发的产品[3]这些将在后续文章中继续展开。

器官芯片应用 

实验图 

(三) 多重技术上的挑战仍需解决

尽管器官芯片技术取得了重大进展和应用,但是器官芯片里行业内的广泛运用仍有很大距离,还存在几个主要的技术难点需要攻克。

首先,如何成功的将的几个不同的器官芯片连接起来精确地模拟整个身体对药物药品反应的能力需要进一步被证实。有若干家公司正在研究多器官模型,但整体来看,离“人体-芯片”仍有很远的路要走,“人体-芯片”仍就是遥远尚未实现的梦想。为了解决各种需求,器官芯片的研究人员对自己的产品在器官种类、芯片类型和流体模式方面进行多样化处理。

有报告指出,器官芯片以期能解决在药物开发阶段功能中基于关键标准的技术分割中技术限制的能力,在将来会被广泛运用。另一个主要的问题是作为商品的器官芯片产量将会从每月或者每周几台设备,提高到更大的产量或者容量来符合市场的需求。实际上,一些企业已经进入了倍增生产和相关材料和/或重新设计符合市场要求的器官芯片阶段。

一个值得注意的特点是,大多数器官芯片都极为依赖于微流控技术,这意味着器官芯片制造公司需要越来越多的接受来自初创公司寻找制造商合作伙伴的需求。一些代工厂刚开始的为器官芯片的制作提出量身定制的方案,并充分强调他们能够在这一领域确定相关标准的巨大潜力。真正需要值得注意的是,在商品用器官芯片的制作过程中,与现有设备的兼容性以及其标准化将是器官芯片能够被广泛利用的重要因素,这也需要技术开发人员需要充分认识和考虑到的。

下图是不同类型的器官芯片技术在不同的药物研发阶段所发挥的功能。

不同类型的器官芯片技术在不同的药物研发阶段所发挥的功能 

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