它看起來不像腎臟，但是這個“芯片上的腎（kidney-on-a-chip）”是新藥測試的一個突破。從化學實驗室的一個想法到市場上獲得一種新的藥物，這中間的成本是數年時間和數十億美元。正因為如此，每年只有幾十種新藥獲準在美國使用。

人類“器官芯片（organs-on-chips）”正在引領一場藥品安全測試的革命。這些裝置利用人體細胞對人體器官和組織的結構和功能進行建模。以“器官芯片”來檢測藥物對不同器官的潛在影響，比傳統(tǒng)方法更快，此外，這種檢測方式可以減少對動物研究的需要，并更好地預測哪些新藥能有效地治療人類疾病。

從歷史上看，新藥物的實驗室檢測是在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)的細胞中進行的。如果一種藥物在試管中通過了最初的篩選試驗，研究人員下一步將在活體動物體內進行測試，以確定一種新藥對整個系統(tǒng)的影響，而不是一次只使用一種細胞。最后，經過多年的實驗室研究，研究人員將在人類身上測試一種有前景的新藥，以確定它是否安全有效。

問題是，這些藥物中有十分之九沒有通過有效測試（從小規(guī)模人體測試到病人），因為它們最終證明是無效的或有毒的，即使它們在早期測試中顯示出有希望的結果。

“器官芯片”有可能徹底改變這個系統(tǒng)。小到指甲大到信用卡一般的大小，“器官芯片”由流動的通道和包含人類細胞樣本的小房間組成。全國各地實驗室開發(fā)的“器官芯片”包括腎臟、肺、肝、腸、皮膚、大腦、心臟、骨骼和生殖系統(tǒng)。

圖：液體在“腎臟芯片”上循環(huán)。

腎臟對人類的整體健康而言非常重要。這兩個拳頭大小的腎臟從身體中去除藥物和不需要的化合物，并在維持適當的鹽和水平衡、血壓、維生素D和骨骼健康方面發(fā)揮關鍵作用。在某些情況下，遺傳條件甚至是常用的藥物都會損害腎臟。

在美國，15%的成年人患有腎病。但大多數人甚至都不知道，因為腎臟疾病通常在病情非常嚴重之前不會出現任何癥狀。我們迫切需要了解腎臟疾病是如何開始的，以及開發(fā)新的安全和有效的治療方法。

在華盛頓大學，我們的“腎臟芯片”研究小組由來自不同學科的科學家組成，包括藥學、藥學、腎臟學（腎臟醫(yī)學）、毒理學、生物化學和生物工程。我們的團隊與當地一家生物技術公司Nortis公司合作，開發(fā)了一種小型設備——名片大小——最多有3個微型管道，每條管道的大小只有一滴水的千分之一，其中包含5000個人體腎臟細胞。當少量的液體通過管道輸送時，腎臟細胞就會暴露在重要的信號中，這些信號可以幫助芯片中的細胞表現得像在活體腎臟里一樣。

我們的研究表明，芯片上的細胞釋放了在腎損傷患者的尿液中常見的損傷標記。用舊的方法進行測試，在培養(yǎng)皿上使用細胞，相同的治療過程中沒有顯示任何損傷。這表明，在預測一種新藥是否會對人體造成腎臟損害的情況下，“腎臟芯片”可能比現有的方法更好。

圖：這些裝置在測試分子如何影響人類細胞的過程中表現的更好。

現在，我們已經取得了這些有希望的結果，全國的科學團隊開始將不同的器官連接起來，以復制一個更復雜的多器官系統(tǒng)，以便更深入地了解藥物是如何影響人類的。例如，我們能夠將肝臟芯片連接到腎臟芯片上，以便了解一種用于草藥中的植物提取物（馬兜鈴酸，aristolochic acid ）是如何損害了腎臟細胞。這種“芯片到芯片（chip-to-chip）”的研究進一步證實了一種研究需要，即以相互連接的器官芯片來模擬人體中復雜機制。

器官芯片也可以被用來開發(fā)新的藥物靶點。我們的研究小組正在評估腎臟芯片作為一種工具的適用性，以用于對腎癌、多囊腎疾病和慢性腎臟疾病患者進行藥物選擇和劑量的個性化治療。其他器官芯片實驗室正在研究免疫系統(tǒng)、大腦、肺、心臟和血管的疾病。數十個研究小組正以合作的方式來開發(fā)這項新技術，以革新藥物發(fā)現，從而為所有人開發(fā)更好更安全的藥物。