芯片器官与类器官技术的协同创新：

重塑疾病建模、药物开发与精准医疗的未来

摘要

美国食品药品监督管理局（FDA）于 2025 年 4 月 10 日发布指南，逐步淘汰动物试验，转而采用类器官和器官芯片系统。这一关键举措迅速得到美国国立卫生研究院（NIH）的响应，该机构于 4 月 29 日启动了研究创新、验证与应用办公室（ORIVA）。ORIVA 的成立旨在引领以人为中心的器官芯片技术的进步，标志着在生物医学领域迈向更准确、更合乎伦理、更高效的研究方法迈出了重要一步。

与传统二维细胞培养和动物模型相比，器官芯片系统能够精确控制流体动力学参数和生物力学微环境。

近日，北京大学第三医院薛丽香、宋佳桂团队在Protein & Cell(IF: 12.8)上发表了综述文章Synergistic Innovation in Organ-on-a-Chip and Organoid Technologies: Reshaping the Future of Disease Modeling, Drug Development and Precision Medicine（芯片器官与类器官技术的协同创新：重塑疾病建模、药物开发与精准医疗的未来）。文章全面总结了器官芯片的发展历史、芯片种类、机械参数、研究应用以及未来发展方向，为疾病建模、药物开发及精准医疗提供了参考 (图1)。

本综述系统地阐述了单器官、多器官和类器官芯片技术在模拟复杂疾病、宿主-微生物群相互作用、器官间生理网络以及药代动力学、毒性反应和个性化治疗的定量预测等方面的应用。此外，还批判性地分析了将这些技术转化为药物开发和临床实践的核心挑战。 

在材料工程、生物传感和人工智能的跨学科集成下，器官芯片技术正在超越传统临床前研究的局限性。作为“患者替代品”的战略价值，它们有望加速精准医疗和罕见病治疗的突破。

器官芯片是一种基于微流控技术的微型生物工程系统，能够高度模拟人体器官的结构和功能，在药物开发全流程中发挥重要作用。

在早期药物发现阶段，它通过构建仿生微环境加速疾病模型建立和靶点筛选；在先导化合物优化阶段，可实现药物分子的快速迭代和初步安全性评价；在临床前研究阶段，其高灵敏度和特异性显著提升了药物毒性预测的可靠性；而在临床试验阶段，则能为失败案例提供机制分析和策略优化指导。

同时，该技术在疾病机制研究、个性化医疗等领域也展现出广阔的应用前景。器官芯片凭借其动态实时调控能力、实验条件灵活性和多组分集成化等核心优势，在生物医学领域展现出巨大潜力。

然而，该技术的规模化应用仍面临通量限制、标准化体系缺失、技术复杂度高以及伦理监管框架不完善等关键挑战。

为推动器官芯片技术的进一步发展，未来研究需要重点突破多器官功能耦合与系统集成，促进医工交叉与多技术融合，加快建立行业标准体系，并着力实现高通量化和产业化应用。这些突破将显著提升器官芯片在药物研发、疾病建模和个性化医疗等领域的应用价值。

器官芯片技术正在实现从"简单替代动物实验"到"精准重建人体病理/生理机制"的跨越式发展。通过工程学与生物学的深度融合，这项技术正在重塑疾病建模和药物研发的整个范式。在持续的政策支持、快速的技术迭代以及多学科深度协作的推动下，器官芯片有望发展成为精准医疗和药物开发的革命性技术。其终极目标是实现"在器官芯片上完整模拟人体系统"的科学愿景，从而为生物医学研究带来颠覆性的变革。

北京大学第三医院薛丽香教授、宋佳桂副研究员、宁夏医科大学马丽君教授为本文的共同通讯作者。北京大学第三医院/宁夏医科大学硕士研究生李冰和北京大学第三医院博士后唐园钧为本文的共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1093/procel/pwaf058

Li, Tang, Huang, Ma, Song, Xue (2025) Synergistic innovation in organ-on-a-chip and organoid technologies: Reshaping the future of disease modeling, drug development and precision medicine. Protein Cell (IF: 12.8)