每年，美國政府花費數億美元儲備針對潛在生物、化學和放射性戰劑的對抗措施。出於倫理原因，其中許多治療方法從未在人體上進行過測試。現在，美國軍方和民用科學機構正在支援開發用於測試的次佳方案：塑膠晶片上的微型人體器官。
哈佛大學韋斯生物工程研究所（位於馬薩諸塞州波士頓）的生物工程師唐納德·英格伯（Donald Ingber）說：“讓人類暴露於類似福島核災難那樣的輻射是不道德的，但你需要做好準備。” 在美國食品和藥物管理局的支援下，他正在調整他的“晶片骨髓”以研究有害輻射和實驗性療法的效果。
其他沿著類似思路工作的研究人員在上週於華盛頓特區舉行的美國微生物學會（ASM）會議上討論了他們用於生物防禦應用的模型器官的研究工作。他們的希望是，這些複雜的三維繫統將比在培養皿中生長的細胞，甚至動物，更好地模擬人體生理學。
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形成模型器官的常見方法是將細胞播種到小型塑膠晶片的通道中，然後用富含營養的液體餵養它們，這種液體流經系統以模擬血液。這些裝置可以單獨使用，也可以連線到其他型別的晶片器官，以近似生物系統，或者——最終——可能是一個完整的人體。
美國環境保護署計劃下個月宣佈一項 1800 萬美元的計劃，將“晶片肝臟”與模擬胎膜、乳腺和發育肢體的晶片連線起來。最終目標是研究二噁英和雙酚 A 等環境汙染物如何在肝臟處理後改變這些器官的代謝。
模型器官系統提供的靈活性對於研究危險病原體的研究人員特別有吸引力，因為動物研究費用昂貴且需要安全限制。在 ASM 會議上，太平洋西北國家實驗室（位於華盛頓州里奇蘭）的微生物學家約書亞·鮑威爾（Joshua Powell）介紹了測試炭疽孢子感染兔子肺細胞生長的三維“肺”能力的實驗。這些細胞位於液體和空氣之間的介面，就像在真實的肺中一樣。
鮑威爾說，美國國土安全部有興趣使用該系統來回答諸如多少炭疽孢子足以在體內引起疾病等問題。
英格伯說，特別是對於某些病毒，研究人員“對機制一無所知，他們需要機制來獲得新的藥物靶點”。感染模型器官可以讓研究人員即時觀察基因表達和代謝如何變化。
這種資訊也可用於在化學、生物或放射性襲擊期間識別未知製劑，方法是提供已知製劑的基線資料以進行比較。範德比爾特大學（位於田納西州納什維爾）的生理學家約翰·威克斯沃（John Wikswo）和他的同事已經證明，他們可以透過分析細胞的代謝活動來快速區分蓖麻毒素和肉毒桿菌毒素等毒物（S. E. Eklund et al. Sensors 9, 2117–2133; 2009），現在將應用模型器官方法。
國家轉化科學促進中心（NCATS，位於馬里蘭州貝塞斯達）的專案經理克里斯汀·法佈雷（Kristin Fabre）說，研究人員已經開發了數十種單獨的模型器官；下一個挑戰是將它們連線在一起，最終目標是在晶片上形成一個完整的人體。這將更準確地描繪出藥物、毒素或其他製劑對人體生理學的影響。
威克斯沃幽默地將這樣的系統稱為“晶片人”（Homo chippiens）——但他警告說，模擬人體絕非易事。在其他挑戰中，在模型器官之間流動的血液替代品必須以正確的順序和正確的量到達它們，併為每個器官攜帶正確的營養物質。
但很多人都在嘗試。一個由 NCATS 資助的專案旨在連線至少 4 個晶片；11 個研究團隊正在參與。美國國防部高階研究計劃局正在支援開發連線十個器官的技術，其國防威脅降低局旨在構建兩個四器官系統。
法佈雷預測，其中一些系統可能會在五年內提供給學術界和工業界使用。她希望它們將被證明在動物是人體生理學的糟糕模型的情況下特別有用。她說，隨著研究人員越來越接近這個目標，“就像科幻小說每天都在變成現實”。
本文經許可轉載，並於2015年2月17日首次發表。