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研发成本高，急需测试新药的有效工具
我们面临全球性的医疗挑战，那就是我们目前研发新药物的方式太昂贵，耗时太长，同时，研究结果失败多而成功少。这样是不行的，这意味着当病人急切地需要新的疗法时，却无法获得药物，疾病也无从治疗。似乎我们花的钱也越来越多。这意味着，我们每花费十亿美元研究费，而获准在市场上的新药却更少了。
药企研发费用和新药批准数目（图片来源：Forbes）
那么问题究竟出在哪？这里有一系列影响因素，但我认为主因之一是我们目前缺乏有效工具来测试新药是否可用，是否有疗效，在开展人体临床试验之前是否安全。这些工具不能预测药物将对人体产生何种作用。我们目前有两大主要工具可供使用：细胞实验和动物实验。
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两大法宝：细胞实验和动物实验首先让我们讨论一下第一种工具，细胞实验。
一般，细胞在我们体内“快乐的”工作。我们取出细胞，将它们从原生环境中剥离出来，放进一个培养皿中，并希望它们能照常工作。猜怎么着。它们不工作了。它们不喜欢新环境，因为新环境和它们生长的身体环境大不相同。
在讨论第二种工具，动物实验。动物实验确实可以提供十分有用的信息，使我们明白在复杂的有机体中药物如何作用，使我们了解更多这背后的机理。但是往往，动物体实验不能预测人类在使用特定药物时会发生的情况。所以我们需要更好的工具。我们确实需要人类细胞，但是我们需要找到一个方式使其在体外保持细胞活性。
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细胞芯片，动态的测试工具人类身体有着动态的环境。我们在不断的运动中。细胞也是如此。细胞生活在身体的动态环境中。细胞经受长期的机械力。所以如果想让细胞在体外存活，我们就必须成为细胞方面的”建筑师“，我们需要设计、策划和建造细胞在体外的家。
而在哈佛大学维斯研究所（WyssInstitute），我们已经这样做了。我们称之为”芯片上的器官“。我这里有一个，它很美丽，不是吗？就在我的手中，这是一个芯片上的人类肺细胞。
它并不只是美丽。它可以做大量的事情。那个小小的芯片上有许多活细胞，这在在动态环境之中的细胞与不同类型的细胞进行交互。有很多人尝试在实验室里培养细胞。他们尝试了许多不同的方法。甚至试图在实验室里培育小型迷你器官。但这不是我们想做的。我们只想在这个小小的芯片里重新创建一个最小的功能单位，并模拟细胞的生物化学环境，功能和在身体中经历的机械拉力。
它是如何工作的？让我展示给你看。我们采用计算机芯片制造行业所用的芯片技术，按照细胞及其环境情况，建造具有相应规模的结构。我们有三个流体通道。在芯片中心，我们有一个多孔的、可渗透的膜，透过这个膜，我们可以添加人体细胞，比如，人类的肺细胞，然后在肺细胞下，我们可加入毛细血管细胞，一种我们的血管中的细胞。我们然后可以对芯片施以机械力，所以细胞能受到在机体内当我们呼吸时，其所感受的机械力。
细胞芯片制备过程（图片来源：MIT）
这张芯片是真的很美，但它能做什么呢？我们可以使用这些小芯片获得惊人的功能。
让我来展示下。比如说，我们可以模仿感染，将细菌细胞添加到肺细胞上，然后再添加人类白细胞。白细胞是人类身体的防御者，专门针对细菌入侵者，当白细胞感觉到这种炎症感染，它们将从血液进入肺，并吞噬细菌。现在你能通过芯片上的活生生的人类肺细胞，观测到这种情况的发生。我们已经标记过这些白细胞，所以你可以看到它们流过，当白细胞发现感染，就会粘在细胞壁上。白细胞聚集在感染处，然后试着从血液通道一侧进入肺细胞一侧。
你可以看到，我们其实使每个白细胞进行可视化。这个白细胞粘住后，扭动并通过细胞层，通过孔洞，从膜的另一边出来，而在膜的这边，它将会去吞噬标记为绿色的细菌。
在那小小的芯片里，你刚刚目睹了，当我们的身体受到感染时做出的一种最基本的反应。这就是我们身体回应的方式——免疫反应。这是很令人兴奋的。
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细胞芯片，探索潜在新疗法现在我想跟你们分享这张照片，不只是因为它特别美丽，而是因为它告诉了我们大量的关于细胞在芯片中活动的信息。它告诉我们，这些从我们的肺气道里提取的细胞，其实有一些绒毛般的结构，就像人们常常在肺里看到绒毛一样。这些结构被称为纤毛，它们的作用是将肺里的痰清除出来。是这样的。痰。恶心。但痰其实是非常重要的。痰液捕获大气尘、病*、潜在过敏原，这些小纤毛移动，并将痰液清除。当纤毛被损坏时，比如说被香烟烟雾损坏时，它们就停止正常工作，也不能清除痰液，就会导致支气管炎等疾病。纤毛和痰液清除，也会与可怕的疾病有关，比如囊胞性纤维症。但现在，通过使用这些芯片的功能，我们可以开始探索潜在的新疗法。我们并没有止步于芯片上的肺细胞。我们有肠细胞芯片。大家可以看到我这里就有一个。我们已经把人类肠道中的细胞放在在芯片上，它们生活在不断的肠道蠕动下，有条滴流通过肠细胞，我们可以模仿许多大家能想到的，在发生在人体肠道内的身体功能。现在我们可以开始创建疾病的模型，如肠易激综合症。这是一种疾病，影响许多病患。此病会使人衰弱，确实还没有很多好的治疗方法。细胞芯片用以测试干细胞疗法（图片来源：ResearchGate）
现在，我们研发出了一整套不同器官的芯片，用在实验室中对该疾病进行研究。这项技术的真正力量是从这一事实衍生而来：我们可以将细胞通过液体连接起来。有流体流过这些细胞，然后我们可以开始互连多个不同芯片，以形成我们称之为虚拟的芯片人体。
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下一步，人体芯片现在我们真的很兴奋。我们并不会建造一个人体芯片，我们的目标是要能够重新创建足够的细胞功能，使我们能够更好的预测人体反应。
例如，现在我们可以开始探索当我们使用气雾剂药物时，身体将如何反应。那些像我一样有哮喘的人，使用吸入器时我们可以研究药物如何进入肺细胞，如何进入人体，如何影响，比如说，心脏。它会改变心脏的跳动吗？有没有*性吗？会被肝脏清除吗？它是通过肝脏代谢吗？它是通过肾脏排泄吗？我们可以开始研究药物对身体的动态反应。
这是一项创举，并将改变游戏规则，不管是制药业，还是其他不同的许多行业，包括化妆品行业。
我们可能会使用皮肤细胞芯片，我们目前正在实验室中开发，并测试您使用的化妆品中的成分是不是对皮肤安全，而无需动物试验。我们可以测试我们接触到的化学品的安全，比如基于我们的日常生活环境的，在普通家用清洁剂中使用的化学品。我们也可将芯片器官应用在生物反恐中，或测试辐射暴露上。我们可以用它们来了解更多关于疾病的特点，比如埃博拉病*，或其他致命的疾病，如非典型肺炎(SARS)。
6个体化用药，器官芯片器官芯片也可以改变我们在未来做临床试验的方式。
现在，一般参与临床试验的被测者都是平均值。往往是中年人，往往是女性。临床试验并不多，特别是涉及到儿童，然而日常生活中，我们给孩子用药，使用药物的安全数据却是从测试成年人时取得的。儿童不同于成人。儿童对药物的反应也可能与成人不同。还有其他的影响因素，像不同人群间的遗传差异可能会导致一部分高危人群，承受药物不良反应的风险。
现在想象一下，我们是否可以从不同人群中提取细胞，把它们放上芯片，并在芯片上创建这些人群。
器官芯片（图片来源：organs-on-the-chips)
这真的可以改变我们做临床试验的方式。这正是我们团队和成员正在做的事。我们中有工程师，有细胞生物学家，有临床医生在一起工作。在VIS研究所我们确实观察到了一些很不可思议的东西。这真是一门综合学科，生物学正在影响我们设计的方式，策划的方式，和建造的方式。这很令人兴奋。
我们要建立重要的产业合作，比如我们已与一家熟知大型数字化制造的公司合作。他们会帮助我们制造，不是一枚，而是数以百万计的芯片，这样，我们可以让尽可能多的研究人员使用这些芯片。这是该技术至关重要的潜能。
现在让我给大家看看我们的仪器。这是一台我们的工程师正在实验室中建造的样机，这台仪器能使我们工程控制需要实现的功能，那就是将10个或更多器官芯片连接在一起。这台机器做的事情是非常重要的。它将创建一个简单的用户界面。所以像我这样的细胞生物学家可以拿起一块芯片，把它放在盒子里，像你看到的原型一样，将盒子放入机器里，这就像你放CD.一样然后就好了。即插即用。很容易。
现在，让我们想象一下未来可能会是什么样子。如果能把你的干细胞放在芯片上，或者把你的干细胞，放在一个芯片上。它将只为你一个人创造一枚个性化的芯片。
各位都是单独个体，而那些个体差异意味着我们对药物的反应方式有可能非常不同，有时甚至无法预知身体反应的方式。
就我自己来说，过去有两年，头痛得真的很厉害，完全不能摆脱它，我当时想，"嗯，我要试点不同的药方"，我吃了几片雅维。十五分钟后，我就在去急救室的路上了，哮喘全面发作。现在，当然没有致命，但不幸的是，有些药品的不良反应确是致命的。
GeraldineHamilton是英国赫特福德大学的的细胞生物学博士，致力于将学术成果运用于企业界。她目前的研究：生物芯片、药物代谢、基因表达和分化的机制。她同时也是初创公司CellzDirect的首席科技官。..............................................................
来源：TED网站干细胞者说整理翻译：药明康德
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