深度解析GAO人体器官芯片报告：生物医学研究的新路径、挑战及政策考量

2025-08-07

116

近年来，研究人员发现人体器官芯片（OOC）技术能够模拟人体器官的结构和功能、模拟疾病并预测对化学物质的反应。越来越多的制药和化学公司的研究人员已开始使用器官芯片来评估正在研发的产品的潜在安全性或有效性。美国食品药品监督管理局（FDA）和环境保护局（EPA）也已开始利用部分器官芯片数据来判定药物和其他化学物质的安全性或有效性。

由于美国国会对动物测试替代方法的强烈关注，美国政府问责局（GAO），作为美国的最高审计机构为美国政府提供支持和建议，深度评估了OOC技术（表1）。发布了近50页的题为“Human Organ-on-a-Chip”的评估报告。详细讨论了三方面内容：

(1) 当前和新兴的器官芯片技术及其潜在益处；

(2) 这些技术在开发和使用过程中面临的挑战；

(3) 政策制定者可考虑的、有助于增强其益处或缓解其挑战的方案。

表1 应对OOC技术开发和使用挑战的既定策略

精选政策选项	机遇	考量因素
1. 支持扩大对多样、高质量人类细胞的获取（报告第23页）示例：联邦机构可联合学术界和产业界的利益相关方，支持建立纳入人群多样性的高质量细胞库和生物样本库。	- 可为OOC开发者和终端用户提供多样人类细胞供应，支撑未来OOC研究。 - 现有建立细胞库的工作或可为此类举措提供样本。	- 可能需要高层利益相关方协调、额外资源及科学专业知识。 - 可能需要额外的标准化细胞操作流程和参考材料。
2. 鼓励开展更多基准与验证研究的研发（报告第27页）示例：相关资助机构可向学术界和产业界提供更多资金，用于明确特定应用场景下OOC的验证基准。	- 有助于识别特定应用场景中验证OOC的标准检查程序。 - 可增加已发表的验证研究数量。 - 可提升对OOC的科学信心。	- 对OOC的投资可能挤压其他技术的可用资金。 - 定义优先应用场景需与终端用户（如制药公司）商讨和获取。
3. 创建或参与数据共享机制（报告第28页）示例：OOC开发者和制药企业可优先通过可信第三方（如行业协会、非营利组织等）免费共享非竞争性OOC数据。	- 帮助终端用户和监管机构评估OOC的稳健性。 - 可建立信心并推动OOC的推广。 - 促进相关利益相关方的协作与共识。	- 企业可能因担心失去竞争优势，需额外激励才参与。 - 需评估哪些OOC方法最可能从中受益。
4. 提供额外监管指导（报告第29页）示例：监管机构可发布更详细的指导，说明特定OOC如何替代传统实验室方法。	- 监管机构明确其监管范围内的适用场景，可建立对模型的信心并积累OOC数据的监管经验。	- 该方法可能不适用于某些OOC应用场景。 - 需监管机构为这类新工作投入专门资源。 - 过于具体的指导可能限制开发者和终端用户。

OOC：模拟人体器官的 “微缩实验室”

目前OOC尚无统一定义，GAO定义为：含人类细胞的小型实验工具，高仿生的模拟器官结构与功能。例如，OOC可整合多种细胞，搭配培养基，通过三维通道中流动的液体，模拟血液流经器官的过程。OOC能模拟脑、肺、心、肝、肾、肠等器官的结构与功能。部分设计还能还原器官力学特性：比如肺芯片模拟呼吸拉伸，心脏芯片搭载电化学传感器实时监测心功能。OOC一定程度克服细胞模型无法模拟器官的连续液体流动、力学运动等特性，克服动物模型种间差异（如阿尔茨海默病、哮喘的动物模型与人类疾病不符）和伦理争议（动物福利），从而提高人体反应预测能力和促进研究结果转化为人类疗法。

政府、产业、学术界等多领域利益相关方共同推动OOCs发展：

开发者：企业（研发商用OOC系统，或适配实验室的定制芯片）、高校/政府实验室（开展概念验证研究）、合同研究机构（为客户代做OOC实验）。

终端用户：科研机构（解析人体机制）、药企（评估药物安全性/疗效）、监管机构（FDA/EPA 参考OOC数据，审查药物/化学品）。

监管机构：FDA和EPA会审查企业提交的OOC数据，涉及安全性、有效性等。同时，两者也支持或开展OOC相关研究。

协调机构：涵盖行业协会、公私合作组织、标准机构及政府跨部门委员会等，负责协调和开展OOC及相关技术研究。

• 关键路径研究所2023-2024年主办FDA资助的OOC研讨会，参会者包括企业、学界、FDA人员等。

• 美国国家标准与技术研究院（NIST）2023年举办OOC标准化研讨会，FDA、美国国立卫生研究院（NIH）及OOC研发方参与。

• 2024年，NIH共同基金启动 “补充动物实验研究计划（Complement-ARIE）”，旨在加速更精准模拟人类生物学的研究方法。

• 2024年，NIH下属国家转化科学促进中心（NCATS）与FDA合作，成立4个大学主导的 “微生理系统转化中心（TraCe MPS）”，推动OOC通过FDA认证为药物研发工具。

• 2025年4月，NIH在院长办公室设立 “研究创新、验证与应用办公室”，协调全机构开展非动物研究方法的研发、验证及规模化应用等工作。

OOC技术的现状

OOC技术是对传统实验室方法的补充。它们具有潜在益处，但至少在短期内不太可能取代动物实验。过去十年间，该领域主要在制药行业的投资和研究推动下迅速发展。目前已有多种OOC技术投入使用或处于研发阶段，包括单器官芯片和多器官芯片。

器官芯片可补充动物实验，且相较于动物模型可能具备一定优势，但短期内不太可能完全取代动物实验。器官芯片能够模拟人体某些器官的反应，然而研究人员和其他利益相关方目前对器官芯片尚未有足够信心，无法彻底摒弃动物实验。2025年4月，美国食品药品监督管理局（FDA）官员表示，他们预想在特定场景中增加器官芯片的使用以减少动物实验，但目前器官芯片的发展程度尚不足以广泛替代动物实验（表2）。

表2 OOC技术与动物实验对比

益处	器官芯片描述	动物实验描述
模型与人类相关	人体细胞使器官芯片在生物功能和反应上更贴近人体器官的表现。	/
无动物模型时填补空白	当动物实验不可行或不适用时，器官芯片可发挥作用（例如：针对人类微生物组的肠道芯片模型正在开发，用于评估疫苗效力）。	/
实时监测	可对人体器官的衰老、病变进行实时监测，还能通过内置传感器评估并优化效力。	/
通量（实验效率）	若研究聚焦单一器官反应（如药物对单个器官的毒性），器官芯片可能比动物实验更高效。	若研究聚焦多器官协同反应（如药物对全身的影响），动物实验可能比器官芯片更高效。
成本	若研究聚焦单一器官反应（如毒性），器官芯片可能比动物实验更具成本效益。	若研究聚焦全身反应（如药物对全身的影响），动物实验可能更具成本效益。
更多器官 / 细胞类型	动物实验一次可涉及40 多个器官，而器官芯片通常仅覆盖 1~2 个器官	/
科学可信度与熟悉度	/	动物实验已有数十年历史，而器官芯片是较新技术，科学家和监管者对其优势 / 局限了解更少。

2010年Science发表的关于第一个微流控肺芯片的研究是OOC技术爆发的转折点。Huh等人创建了人类培养的上皮细胞和内皮细胞的组织-组织界面，并在模拟人肺肺泡-毛细血管界面的装置中具有细胞外基质。该肺芯片模仿生理器官水平的功能，包括病原体诱导的炎症反应。（DOI：https://doi.org/10.1126/science.1188302.）

GAD评估芯片的价值会问三个关键的问题：

What is it?

Why it matters?

What is the developmental status?

以肺芯片为例：

什么是肺芯片？研究人员开发出了一种芯片肺技术，能够模仿人体肺部的关键结构和功能，比如可通过拉伸和扩张来模拟呼吸。

为什么肺芯片技术很重要？肺芯片可用于研究化学品的潜在毒性，如工作场所吸入化学品的暴露。有可能取代现有的啮齿动物吸入试验方法。啮齿动物的呼吸系统与人类有很大差异，因此芯片上的肺技术可以提供更好地预测对人类影响的数据，同时减少所需的动物数量。

肺芯片发展现状如何？肺芯片是所有芯片器官技术中发展较为成熟的一种。目前有近20家公司提供商业化芯片肺系统。研究人员还在开发用于不同用途的概念验证型肺芯片技术，例如用于研究哮喘、空气污染对人类健康的影响以及呼吸道病毒感染等。

下一代OOC的重点是先进的疾病建模和开发多器官OOC，多器官OOC将一个或多个系统上的不同器官相互连接起来，以研究器官间的影响。例如，多器官OOC可以帮助评估继发性药物毒性，也就是说，当一个器官代谢一种药物时，产生的分解产物会引起继发性的负面影响（图1）。

图1 OOC模拟多器官系统

OOC开发和使用的六大核心挑战

3.1 人源细胞来源与质量的制约

获取可靠的人类细胞是OOC技术应用的核心前提，但其面临多重瓶颈：其一，来源受限，高质量原代人类细胞（直接分离自人体的细胞）依赖医疗机构合作或有限商业渠道，供应稳定性不足，例如原代人脑细胞需从手术样本或遗体中获取，来源极具局限性；其二，质量管控难度大，据行业数据，采购的供体原代细胞中仅10%-20%能满足OOC研究的质量标准；其三，遗传多样性缺失，超过70%的细胞样本源自白人供体，难以反映人群的遗传异质性，导致研究结果的普适性受限。诱导多能干细胞虽能部分缓解供应问题，但受限于技术壁垒，无法完全替代所有细胞类型的功能特性。

3.2 终端用户的资源约束

OOC技术的应用对资源配置提出严苛要求：成本层面，启动投入超15万美元（含一次性芯片及耗材），后续持续成本（芯片采购、细胞供应等）高昂，且其性价比仍存争议；时间层面，单组实验的准备阶段需10天，全流程耗时约20天，经验不足人员操作时周期可延长至8周，显著高于传统细胞实验；人员层面，需具备工程学与生物医学交叉学科背景的专业人才，培训周期长达1年，且此类人才供给短缺；技术层面，商业化OOC产品种类有限，部分专用芯片（如胆囊芯片）仅停留在文献报道阶段，其选型与验证需大量内部测试支撑。

3.3 专属标准体系的缺失

OOC的复杂性与快速演进导致标准化进程滞后：一方面，芯片尺寸、流体通道设计等存在显著差异，标准化可能抑制技术创新；另一方面，术语体系不统一、性能评估标准缺失，导致研究结果的可比性与可重复性不足。目前，美国国家标准与技术研究院（NIST）正联合国际组织推进词汇定义、测量方法等领域的标准化工作，但进展缓慢。

3.4 基准与验证研究的匮乏

OOC技术的可靠性缺乏系统性支撑：其一，基准体系不完善，参考化合物（已知人体反应的药物或化学品）清单覆盖范围有限，难以验证OOC的预测效能，尽管FDA曾发布生殖毒性相关参考化合物清单，但应用场景仍较狭窄；其二，验证研究不足，多数商用OOC未完成系统验证，且结果未形成共享机制，用户需自行开展验证工作，例如肺芯片若应用于肺纤维化研究，需针对该场景重新完成验证，显著增加研发成本。

3.5 数据共享机制的不完善

数据共享不足制约技术迭代：企业因知识产权保护与竞争优势维护，普遍不愿公开OOC研究数据，即便向监管机构提交数据也多限于阳性结果；虽有数据库（如匹兹堡大学数据库）尝试整合数据资源，但受商业化收购、管理复杂度等因素影响，覆盖范围有限。行业内协作多为临时性安排，难以形成系统性数据积累。

3.6 监管环境的不确定性

监管体系的不完善制约OOC技术落地：其一，FDA对OOC技术的认知仍待深化，专业解读人才匮乏，目前仍以个案评估为主；其二，指导体系不健全，2025年FDA发布的减少动物实验路线图虽鼓励OOC等替代技术，但与企业实际沟通存在信息偏差；其三，资格认定进程滞后，截至2024年12月，尚无OOC通过FDA认证，首个肝芯片的资格认定仅进入初步阶段，限制了其在药物研发监管申报中的应用。

上述挑战相互交织，既需通过技术创新突破细胞来源、标准化等瓶颈，也需依托政策支持完善数据共享与监管框架，方能推动OOC技术从实验室走向产业化应用。

OOC技术的政策考量

4.1 政策方案：支持为增加多样化、高质量人体细胞样本获取所做的努力

挑战：人体细胞在数量、质量和多样性上的不足，可能会限制类器官芯片的使用和普及。希望应对这一挑战的政策制定者，可以支持为增加多样化、高质量人体细胞样本的获取所做的努力。

4.2 政策方案：支持类器官芯片的标准制定

挑战：缺乏针对类器官芯片的特定标准，可能会对创新、交流以及研究结果的可重复性和可比性产生负面影响，从而加大这些技术的使用难度。希望应对这一挑战的政策制定者，可以支持标准制定工作。

4.3 政策方案：鼓励开展更多关于基准和验证研究的研发工作

挑战：终端用户和监管机构缺乏足够的基准和验证研究，而这些对于获得对类器官芯片的科学信心、了解这些技术与传统方法及临床试验数据的对比情况而言必不可少。希望应对这一挑战的政策制定者，可以鼓励开展基准和验证研究的研发工作。

4.4 政策方案：建立或参与数据共享机制

挑战：开发者和终端用户不愿意与包括监管机构在内的不同方共享数据，或者由于能力有限而无法与其他利益相关者共享数据。在这两种情况下，数据共享的缺失都会阻碍该领域的发展和认知。希望应对这一挑战的政策制定者，可以建立或参与数据共享机制。

4.5 政策方案：提供额外的监管指导

挑战：对于包含特定应用的类器官芯片数据的提交材料，开发者和终端用户并不清楚监管机构需要看到哪些内容。同时，也缺乏针对类器官芯片的特定监管指导。希望应对这些挑战的政策制定者，可以采取行动提供额外的监管指导。

4.6 政策方案：维持现状

当前的努力（即现状）可能有助于解决本报告中指出的部分挑战。然而，其他挑战可能仍未得到解决，潜在效益也可能无法实现。政策制定者可以维持当前的努力，这可能有助于缓解类器官芯片在使用和普及方面面临的挑战。