结合半导体制造等领域的微细加工技术和以iPS细胞为代表的生命科学研究，在小型芯片上再现人体器官的技术开发变得活跃起来。NTT利用凝胶材料所具有的良好生物相容性和物质渗透性，成功地在芯片上制作了微流路。其目的是实现一种能够在芯片上再现更接近活体的血管等作为患者的“分身” 的技术，这将有助于诊断和治疗。
“器官芯片”相关技术的动向 |
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1991年 |
通过在试管内的模式化培养形成心室心肌 |
1998年 |
利用PDMS（一种硅）制作微流路器件 |
2006年 |
开发出小鼠iPS细胞 |
2010年 |
制作出模拟呼吸时的肺部收缩的“肺芯片” |
2015年 |
利用iPS细胞培养出“迷你肾” |
2040年前后 |
制作出反映个体差异的多器官芯片 |
2050年前后 |
实现在虚拟空间再现个人的身体和心理的“生物数字分身” |
通过在芯片上结合微流路和培养细胞等来模拟人体器官的技术被称为“器官芯片”。虽然已开始用于调查药物候选物质的有效性和安全性的实验，但其功能仍然有限。
在用凝胶制作的微流路中培养细胞（图片由NTT提供）
NTT物性科学基础研究所的高桥陆研究员等人开发出了利用内部含水的三维网状高分子材料“水凝胶”制作管状构造流路的技术。水凝胶与生物体亲和性比较高，容易透过氧气和营养等物质，还具备伸缩性和柔性。作为器官芯片目前使用的硅和塑料等的替代材料备受期待，但在芯片上控制形状的技术一直存在课题。
高桥等人认为，利用薄膜发生的“扭曲剥离”现象可以控制形状。从两端向基板上的薄膜施力时，中心部分的薄膜会从基板上剥离并隆起，薄膜与基板之间会形成管状空腔。
具体来说，就是把凝胶吸水后膨胀的变化作为引起剥离的力利用。将凝胶薄膜铺到玻璃基板上，形成与基板粘合的区域和未粘合的区域。凝胶膨胀后，未与基板粘合的区域就会发生剥离，形成空腔。
通过调整凝胶的厚度和成分等条件，成功制作了直线、曲线、分支和合流等多种形状的微流路。还在流路中长时间地三维培养了细胞。利用凝胶制作的流路方便施加变形等物理刺激和药剂等化学刺激。高桥介绍称，优化细胞培养条件的话，“能在芯片上再现更接近活体的血管和肠道”。
NTT在2020年发布的医疗健康愿景中提出了“实现生物数字分身（Bio digital twin）”。生物数字分身的意思是在网络空间再现每个人的身体和心理情况。这是一个非常宏大的构想，将结合人工智能（AI）等预测技术，利用“分身”为针对个体进行优化的精准医疗和健康维护做贡献。
器官芯片还能用来调查创造“分身”时需要收集个人的哪些身体数据。目前尚处于在芯片上形成单一器官的阶段，但将来有望在芯片上再现多个器官，还有望实现能反映器官个体差异的“分身”。
NTT预测，2040年前后为个人量身定制的多器官芯片将实现实用化，2050年前后可以实现“生物数字分身”。
有助于开发新药和提高效率
2010年美国哈佛大学的研究所首先开发出了在芯片上再现呼吸时肺部收缩运动的“肺芯片”，一举成为器官芯片的先驱。现在不仅是心脏，还在研究肠道、肝脏和肾脏等多种器官芯片。
目前的器官芯片的主要目的是用于药品开发。新药候选物质以前一直利用培养细胞和小鼠等实验动物来验证有效性和安全性。但到了通过人体进行验证的临床试验阶段，经常出现因无法确认有效性，或发现意料之外的副作用而中止开发的情况，因为培养细胞和实验动物与人体有很大不同。
提高器官芯片的再现性，就有可能观察到比以往的方法更接近人体的药物反应。在化妆品开发等领域都在减少动物实验的国际趋势中，也需要有一种优越的替代方法。
在日本，东京大学和京都大学等正在推进器官芯片的开发，东京工业大学、横滨市立大学和理化学研究所等正在研究利用iPS细胞培养用于芯片上的细胞。还有堆积细胞制作立体组织的“生物3D打印”法。各种技术的融合对进一步提高性能也非常重要，比如实现多种器官相连接的多器官芯片等。
日文：越川智瑛、《日经产业新闻》，2021/04/30
中文：JST客观日本编辑部
