我們都知道一款藥品在正式上市、大量製造、販售之前，會經過無數次不同層次的實驗測試。然而因為不同個體間的微小差異，我們對藥物可能會產生截然不同的反應。如果能在嘗試新藥之前知道自己身體的代謝反應將是如何，甚至是接受一個量身打造的治療配方，提高療效、發揮藥物的最佳藥效，這將造福多少人類的健康幸福？
Geraldine Hamilton在美國哈佛大學的Wyss實驗室就正在努力做這一件事，她向我們展示如何在晶片上建構器官和人體部位，以一塊簡單的晶片擁有所有測試新藥必備的元件。
開發新藥的困境
在現今醫藥技術發展當中，構思一款新藥或許十分容易，但研發與測試的過程卻是昂貴又耗時，而且失敗機率往往大於成功機率。這其中存在許多因素，Hamilton認為主因之一是：在進入人體臨床試驗之前，專家使用「細胞培養」及「動物試驗」測試藥物是否有效或安全，但這兩種方法其實無法準確預測人體內發生的事。當我們把細胞放入培養皿時，細胞會因為環境的改變而停止原本的運作；動物實驗雖然能提供相當有用的訊息，但仍然無法預測使用特定藥物時發生於人體內的動態情況。
為了找到更好的方法讓人體細胞順利測試新藥，Hamilton的團隊的想法就是，成為細胞建築師，替細胞設計、建設、打造另一個家—「人體器官晶片」。他們將活細胞放入這個小晶片中，建立最小的功能單位，呈現細胞於體內所經歷的生化反應、功能及機械張力。
如何在晶片上模擬人體器官
Hamilton的團隊運用電腦晶片製造技術，打造與細胞及其生長環境相仿的結構。其中有三條液體通道，中間是多孔的彈性隔膜，在其上層放入人體細胞，例如肺細胞；下層是微血管細胞，即血管中的細胞；然後對於晶片施加機械力，使隔膜伸展收縮，如同體內脈動的情形。
藉由這些小晶片模型的功能，Hamilton指出，我們將可以開始探索許多潛在的新療法。例如我們可以模擬人體受外界感染的過程，將細菌細胞及人類白血球加入這個肺模型中，當白血球偵測到因感染引起的發炎反應時，它們將由血管進入肺部、吞噬細菌。
不只是一個器官，不只是獨立測試
而Hamilton的團隊研究的不僅是肺部晶片，也有腸道、心臟晶片。實驗室目前正在研發一系列不同的器官晶片，而這項技術的真正意義在於：我們能藉由液體在細胞間的流動、連結的特性，將多種不同晶片彼此連接，形成所謂的「虛擬人體晶片」。
但這並不是要在晶片上重建整個人體，而是要重建足夠的人體細胞功能，使我們對人體內發生的情形進行更佳的全面性預測。例如我們可以探索使用噴劑型藥物時發生的情形，患有氣喘的人在使用吸入劑時，我們可以探索藥物是如何進入肺部，如何影響其他器官，例如心臟，我們可開始研究身體對藥物的動態連鎖反應。
所有跟人體有關的試驗方法將被改變
這項技術將引起一場革命，我們可以藉由晶片進行疾病的深入瞭解，例如伊波拉病毒或SARS等致命疾病。而且不僅是製藥工業，也將影響許多不同產業，例如化妝品工業，當皮膚晶片被研發出來，未來在測試化妝產品中的成分對皮膚是否安全時，我們不再需進行殘忍的動物試驗。我們還可以測試日常環境中所接觸到的化學物質的安全性，例如家庭清潔劑。
器官晶片也可改變未來臨床試驗方式，我們可以將不同族群的細胞置入晶片，讓我們擁有的藥物安全資料可以針對使用者，例如孩童藥品的臨床試驗對象不會再是成年人。
想像一下未來，若我們能將自己的幹細胞置入晶片，這將成為一塊獨一無二的個人化晶片。醫生可以針對每個人不同的體質，打造個人專屬的治療方法，讓治療藥物更有效，加強醫療的安全性，將藥物副作用的風險降到最低，使每一個人都獲得更精準的醫療照護。
延伸閱讀：哈佛大學的Wyss實驗室
撰稿人：許書瑄