摘要：医学研究领域迎来了一个划时代的突破。佐治亚理工学院和范德比尔特大学的科学家们成功开发出世界首个具备完整免疫系统功能的肺器官芯片，这项技术不仅能够精确模拟人类肺部对病原体的免疫反应，更有望彻底改变药物测试和疾病研究的传统模式。这一发表在《自然生物医学工程》期刊上

信息来源：https://medicalxpress.com/news/2025-09-lung-chip-immune.html#google_vignette

医学研究领域迎来了一个划时代的突破。佐治亚理工学院和范德比尔特大学的科学家们成功开发出世界首个具备完整免疫系统功能的肺器官芯片，这项技术不仅能够精确模拟人类肺部对病原体的免疫反应，更有望彻底改变药物测试和疾病研究的传统模式。这一发表在《自然生物医学工程》期刊上的研究成果，标志着器官芯片技术从简单的细胞培养平台向功能完整的器官模拟系统的重大飞跃，为个性化医疗和精准治疗提供了全新的技术路径。

生物工程的技术革命

这项突破的核心在于解决了困扰器官芯片技术多年的关键难题：如何在体外环境中维持免疫细胞的活性并实现其正常功能。传统的器官芯片虽然能够模拟器官的基本结构和部分功能，但缺乏免疫系统这一关键组成部分，使得其在疾病建模和药物测试方面存在重大局限性。

佐治亚理工学院免疫工程中心主任安库尔·辛格和范德比尔特大学工程学院院长克里希嫩杜·罗伊领导的研究团队，通过创新的工程设计和生物材料应用，成功构建了一个邮票大小的透明聚合物芯片。这个芯片内部蚀刻着精密的微通道网络，内衬活体人类细胞，能够模拟肺部的物理结构和生理功能。

更重要的是，研究团队首次实现了免疫细胞在芯片内的长期存活和正常循环。通过显微镜观察，研究人员可以清晰地看到血液和免疫细胞在微小血管状结构中流动，其行为模式与真实人类肺部几乎完全一致。这一技术突破的关键在于创造了适合免疫细胞生存和功能发挥的微环境，包括合适的营养供应、氧气浓度、机械刺激和化学信号传导。

负责具体实验工作的博士后研究员雷切尔·林奎斯特表示，当她第一次观察到免疫细胞在芯片中正常循环时，那种激动之情难以言表。"这不仅仅是技术上的成功，更是我们向理解人类免疫系统复杂性迈出的重要一步。"

安库尔·辛格 （Ankur Singh） 和雷切尔·林奎斯特 （Rachel Ringquist） 指出了具有内置免疫系统的微观肺芯片。图片来源：佐治亚理工学院

芯片的设计充分考虑了肺部的生理特点。肺泡上皮细胞负责气体交换，血管内皮细胞构成血管壁，而各种免疫细胞则在其间巡逻和响应威胁。通过精确控制细胞的空间排布和相互作用，研究团队成功重现了肺部的微环境和功能特征。

疾病模拟的真实性验证

为了验证这一免疫肺芯片的实用性，研究团队进行了严格的疾病模拟实验。他们选择了严重流感病毒感染作为测试案例，这是一个能够充分展现免疫系统复杂响应的疾病模型。

当流感病毒被引入芯片系统后，观察到的免疫反应令人震撼。免疫细胞迅速识别并响应病毒威胁，大量免疫细胞聚集到感染部位，炎症反应在组织中扩散，整个防御系统有序激活。这种反应模式与临床医生在真实患者身上观察到的情况高度一致，证明了芯片系统的高度仿真性。

更重要的是，芯片能够捕捉到疾病发展的动态过程。从初期的病毒感染，到免疫系统的激活，再到炎症反应的扩散和修复过程的启动，整个病程的关键节点都能在芯片中得到真实反映。这种时间维度上的精确模拟，为深入理解疾病机制和评估治疗效果提供了前所未有的工具。

辛格教授强调："这项技术的真正价值不在于简单地复制已知的生物学现象，而在于为我们提供了一个研究疾病机制和测试治疗方案的全新平台。我们可以在不伤害任何生命的情况下，深入探索人类疾病的本质。"

实验结果显示，芯片不仅能够模拟急性感染的免疫反应，还能够研究慢性疾病的发展过程。通过调整实验条件和观察时间，研究人员可以模拟不同类型的肺部疾病，包括哮喘、慢性阻塞性肺病、肺纤维化等。

替代动物实验的伦理意义

这项技术突破的另一个重大意义在于为替代动物实验提供了可行的解决方案。长期以来，医学研究严重依赖动物模型，特别是小鼠模型来研究人类疾病。然而，动物模型存在诸多局限性，最根本的问题是物种间的生理差异。

辛格教授生动地解释了这一问题："笼子里的五只老鼠可能会对同一种治疗产生相同的反应，但五个人却不会。我们的芯片能够反映这种个体差异，这就是使它更准确的原因，也是为什么它可以显著减少对动物模型的需求。"

小鼠的免疫系统虽然与人类有相似性，但在许多关键方面存在重要差异。例如，小鼠不会像人类儿童那样患哮喘，它们对某些病原体的免疫反应模式也与人类不同。这些差异常常导致在动物实验中表现良好的药物在人体试验中失败，造成巨大的时间和资源浪费。

罗伊教授指出："美国食品药品监督管理局正在积极推动减少动物试验并开发预测性非动物模型的战略愿景，我们的工作完美契合了这一趋势。这个设备在模拟人类严重流感方面比以往任何方法都更进一步，为复杂的肺部免疫反应提供了前所未有的洞察。"

从伦理角度看，减少动物实验的使用符合当代社会对科学研究伦理标准的更高要求。器官芯片技术不仅能够提供更准确的人类疾病模型，还能避免对实验动物造成痛苦，实现了科学进步与伦理责任的双重目标。

此外，器官芯片技术还具有标准化和重现性强的优势。与活体动物相比，芯片系统的实验条件更容易控制和重现，这对于药物开发和监管审批具有重要意义。

个性化医疗的未来愿景

研究团队的长远目标是实现真正的个性化医疗。通过使用患者自身的细胞构建个性化芯片，医生将能够在治疗开始前就预测哪种疗法对特定患者最有效。这种"量身定制"的治疗方法有望显著提高治疗成功率，同时减少药物副作用和医疗成本。

个性化器官芯片的构建过程相对直接：从患者身上采集少量细胞样本，在实验室中培养扩增，然后将这些细胞植入芯片系统。由于芯片使用的是患者自身的细胞，因此能够更准确地反映该患者的生理特征和疾病易感性。

这种个性化方法在癌症治疗领域尤其具有潜力。不同患者的肿瘤对同一种抗癌药物可能表现出完全不同的敏感性，通过个性化芯片测试，医生可以在开始治疗前就确定最有效的治疗方案，避免无效治疗对患者造成的身体和心理创伤。

辛格教授对这一前景充满信心："想象一下，在你服用药物之前就知道哪种治疗方法对你最有帮助。这就是我们努力的方向。"

目前，研究团队正在扩展芯片技术的应用范围，从最初的流感模型扩展到哮喘、囊性纤维化、肺癌和肺结核等多种疾病。他们还在致力于整合多个器官系统，展示肺部如何与其他器官协调工作，构建更完整的人体系统模型。

虽然从实验室技术到临床应用还需要数年时间，包括大规模验证、临床试验和监管审批等环节，但这项技术所展现的潜力已经足以改变整个医学研究的格局。正如辛格教授所说："未来不会等待疾病的到来，而是会预测它、拦截它，并改写结果。"

这项研究的个人意义对辛格教授来说尤为深刻。他曾经失去了一位因癌症治疗导致免疫系统衰弱，最终死于感染的叔叔。这段痛苦的经历成为他投身免疫工程研究的重要动力，也让他深刻理解了开发更好疾病预测和预防系统的重要性。

来源：人工智能学家