药物毒性是药物筛选的重要内容，同时也是导致众多药物研发失败及药品撤市的原因，这说明传统的药物毒性评价方法具有一定的局限性。在早期药物发现阶段，药物毒性评价以动物实验为主，但动物模型难以准确反映临床患者的实际情况，无法克服种属差异性。这些局限性会造成毒性预测结果不完全准确，所以研究者需要不断寻找能够更加准确评价药物毒性的替代方法。
01 器官芯片是毒理学研究中具有“改变游戏规则潜力”的新兴技术
药物毒理学研究成功的关键是将安全性数据与其他特定分子特征有效结合，例如吸收、分布、代谢和排泄（ADME）以及理化特性，从而解决潜在靶点和潜在先导药物的固有风险。这涉及到从使用经典的（通常是低通量的）体内毒理学方法到专注于预测性较强的体外机制分析的范式转变。这种测定结合适当的毒性终点，在很大程度上依赖于开发与人体生理相关的模型系统。近年来，在诸如诱导多能干细胞（iPSC）、器官芯片技术和成像技术等领域取得了重大进展，这些领域有可能大大提高毒理学研究的预测价值。通过对14家欧洲中型到大型制药公司专家的调研，总结出正在产生影响的关键新兴技术和方法（图1），包括器官芯片、高内涵成像、基因编辑、iPSC等，并于2015年首次进行，于2020年重复进行评估了他们所带来的即时、中期（<2年）和长期（<5年）效益（图2），受访者对于器官芯片、基因组分析和高内涵成像等技术的积极认知有所增加，其中超过80%的专家认为器官芯片技术目前正在或在未来2-5年内将有可能会改变研究毒理学的“游戏规则”。
图1 毒理学研究中的新兴检测方法和技术
图2 2015年到2020年受访者对每种技术和方法影响认知的演变
02 器官芯片在药物毒理研究中具有广阔的应用前景
器官芯片（organ-on-a-chip）依托于精密的微加工技术，是一种微流控芯片仿生系统，可以模拟人体特定器官的复杂微结构、微环境和生理功能，亦称为微生理系统（microphysiological system）。在毒理学研究中，为了产生更多的与人体相关证据，毒理学家越来越多地使用复杂的人类和动物MPS模型（器官芯片或类器官）来深入了解器官特异性和器官间毒性特征。目前学术界已经成功构建了可用于毒理评价的肝脏、肾脏、皮肤、心脏等单器官芯片模型及多器官芯片模型。器官芯片不但具有比二维（2D）细胞模型更完整的结构和功能，还能够解决动物与人类之间的种属差异，有效模拟药物在人体内的毒性反应，在药物毒理学领域日益受到关注。
肝器官芯片
肝脏是人体最重要的解毒器官，也是很多药物毒性作用的靶器官，因此药物诱导的肝损伤（Drug‐induced liver injury，DILI）是药物毒理研究的重要内容。肝器官芯片是一种利用微流控技术构建的仿真人体肝脏组织或功能单元的仿生器官芯片，可模拟肝脏的微结构、微环境和和代谢活动等功能，并显著超越了传统的2D细胞模型，在生理微结构和功能完整性方面实现了质的飞跃，更重要的是能消除动物与人类之间的种属差异。为了验证肝芯片在药物毒性测试方面的应用潜力，Ewart等利用870个由人原代组织来源的肝器官芯片模型，对27种已知肝毒性药物进行了评估，验证它们对药物性肝损伤的评价效果。结果显示，肝芯片对药物毒性测试的灵敏度为 87%，特异性为 100%。该工作在一定程度上体现了这种新型肝芯片模型用于药物毒性评估的可靠性和经济学价值（图3）。因此肝器官芯片为精准有效地模拟人体器官的生理或病理状态提供了可能，为肝脏疾病研究以及肝毒性药物筛选等开辟了新路径，提供了高效可靠的动物替代实验平台。
图3 肝器官芯片构建及DILI评价结果
心脏器官芯片
心脏被称为“生命引擎”，将血液泵送到全身，向其他器官输送营养或代谢产物，这是人体维持正常生理活动的关键功能。自20世纪90年代以来，获批上市的药物中几乎有一半由于心血管并发症被撤回，大量的药物Ⅰ期临床试验失败也可归因于心血管毒性。对药物心脏毒性进行临床前评估的传统方法为动物模型，但动物模型价格昂贵、通量低，而且在生理上表现出物种特异性差异，很难再现成人心脏中心肌细胞（CMs）、血管内皮细胞（ECs）和支持细胞（如成纤维细胞）的典型结构和功能，因此难以准确评估药物反应。心脏器官芯片可以在生理相关模型中筛选多种心血管细胞类型的潜在心脏毒性化疗药物。Arun Sharma等开发了心脏器官芯片模型，在液体持续流动和机械拉伸力作用下，其人体生理仿真度更高，可从机理上研究心脏毒性，利用该模型进行VEGFR/PDGFR 受体酪氨酸激酶抑制剂 (VPTKI)的心脏毒性检测，观察到细胞类型特异性毒性对心脏毒性化合物的反应。心脏器官芯片亦可用于聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）等环境污染物诱导的心脏毒性作用的研究。梁戈玉等利用心脏类器官芯片（COoC）对短期和长期暴露于聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）引起的心脏损伤进行了动态观察，发现氧化应激、炎症、钙离子稳态破坏和线粒体功能障碍是PS-NP诱导心脏毒性的潜在机制和早期关键影响，而心脏纤维化是晚期的明显特征，进一步加深了对PS-NP诱导的心脏毒性作用的理解，并开发了一个有效的体外心脏毒性评估平台（图4）。
图4 利用高通量膜式芯片构建心脏类器官芯片及进行短、长期PS-NP暴露对心脏损伤的评价
肾器官芯片
肾脏是药物或其毒性代谢产物富集、排泄的重要器官，针对药物的肾毒性评价以及机制分析是新药研发中不可或缺的重要环节。药物引起的急性肾损伤（AKI）是候选药物在人体试验中失败的主要原因之一。在当前的药物研发流程中，动物实验仍然是临床前肾毒性评估的金标准，但存在效率低、成本高等问题，由于种属差异动物模型对于部分药物的肾毒性预测与人体的真实情况差异较大，因此，迫切需要开发更加优良与人类相关的肾脏模型，用于药物肾毒性评估，以有效提高药物开发效率，降低成本和提高其临床试验成功率。屠鹏飞等开发了一种高仿生的人原代近端肾小管类器官芯片，相比于当前常用的HK2细胞系模型，该芯片上所培养的细胞能够形成更强的屏障功能、吸收功能、外排转运功能，从而实现更灵敏的肾毒性预测能力。利用该芯片评估了顺铂、阿霉素、舒尼替尼等化疗药物的肾毒性，结果显示相比HK2，近端肾小管类器官芯片对肾毒性药物的预测更敏感，也揭示了高仿生的体外模型有助于研究肾毒性的作用机制（图5）。
图5 近端肾小管类器官芯片用于不同抗肿瘤药物肾毒性评价（VS HK2细胞系）
皮肤器官芯片
皮肤是人体最大的器官，其作为人体的屏障，直接与多种外界环境中的应激源接触，如太阳或电磁辐射，温湿度、微生物、化妆品、外用药物和机械应力等。随着国际上“3Rs 原则”的广泛推行，越来越多的国家逐渐要求药品、化妆品及原料测试禁止使用实验动物，目前已有超过40个国家和地区在化妆品安全评价中实施了动物实验禁令，这推动了皮肤器官芯片的发展。皮肤器官芯片是一种新型的体外皮肤生理和病理模型，能够更好地在不同体外环境下还原真实的皮肤生态，既能避免动物实验带来的种属差异和个体差异，解决生物伦理学与动物实验的冲突，也能极大程度提高体外的验证结果与人体真实情况的匹配度，可以用于药物安全性、化妆品安全性（包括腐蚀性、刺激性、光毒性等）和功效性（包括皮肤屏障、保湿、抗炎、美白、经皮吸收、抗衰老等）评价，还可以用于皮肤发育研究、皮肤疾病病理研究及药物筛选等。艾玮得生物利用自主研发的表皮芯片以固定时间暴露于10种已知刺激性的化学品，通过MTT法和跨膜电阻对10种受试物进行检测，可以准确区分化学品的刺激性与非刺激性，同时还可以通过形态学等方法对药物刺激性进行进一步评价（图6）。
图6 表皮芯片用于受试物刺激性评价
总结与展望
制药公司正在不断引入创新的毒理学研究工具和策略，以减少药物开发过程中与安全性相关的人员流失。研究毒理学的核心目标是预测临床安全性，但这一目标仍然存在较大的挑战。药物毒理学研究传统依赖于动物模型和2D细胞系，由于存在种属差异、缺乏细胞通信等不足，无法准确描述毒理学效应和预测人体内的实际反应。器官芯片作为颠覆性的新兴前沿技术，旨在尽可能地接近和模拟人体实际生理病理条件下的微环境，应用于药物安全性评价，显著提高毒理学研究的预测价值。器官芯片具有补充甚至替代传统细胞培养和动物模型的巨大潜力，可能极大缩减新药研发的周期，降低新药筛选失败的风险，给新药研发带来革命。
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《DNA测序技术及市场-2022版》
《苹果在无创血糖监测领域的发明专利与产业布局分析》
药物毒性是药物筛选的重要内容，同时也是导致众多药物研发失败及药品撤市的原因，这说明传统的药物毒性评价方法具有一定的局限性。在早期药物发现阶段，药物毒性评价以动物实验为主，但动物模型难以准确反映临床患者的实际情况，无法克服种属差异性。这些局限性会造成毒性预测结果不完全准确，所以研究者需要不断寻找能够更加准确评价药物毒性的替代方法。
01 器官芯片是毒理学研究中具有“改变游戏规则潜力”的新兴技术
药物毒理学研究成功的关键是将安全性数据与其他特定分子特征有效结合，例如吸收、分布、代谢和排泄（ADME）以及理化特性，从而解决潜在靶点和潜在先导药物的固有风险。这涉及到从使用经典的（通常是低通量的）体内毒理学方法到专注于预测性较强的体外机制分析的范式转变。这种测定结合适当的毒性终点，在很大程度上依赖于开发与人体生理相关的模型系统。近年来，在诸如诱导多能干细胞（iPSC）、器官芯片技术和成像技术等领域取得了重大进展，这些领域有可能大大提高毒理学研究的预测价值。通过对14家欧洲中型到大型制药公司专家的调研，总结出正在产生影响的关键新兴技术和方法（图1），包括器官芯片、高内涵成像、基因编辑、iPSC等，并于2015年首次进行，于2020年重复进行评估了他们所带来的即时、中期（<2年）和长期（<5年）效益（图2），受访者对于器官芯片、基因组分析和高内涵成像等技术的积极认知有所增加，其中超过80%的专家认为器官芯片技术目前正在或在未来2-5年内将有可能会改变研究毒理学的“游戏规则”。
图1 毒理学研究中的新兴检测方法和技术
图2 2015年到2020年受访者对每种技术和方法影响认知的演变
02 器官芯片在药物毒理研究中具有广阔的应用前景
器官芯片（organ-on-a-chip）依托于精密的微加工技术，是一种微流控芯片仿生系统，可以模拟人体特定器官的复杂微结构、微环境和生理功能，亦称为微生理系统（microphysiological system）。在毒理学研究中，为了产生更多的与人体相关证据，毒理学家越来越多地使用复杂的人类和动物MPS模型（器官芯片或类器官）来深入了解器官特异性和器官间毒性特征。目前学术界已经成功构建了可用于毒理评价的肝脏、肾脏、皮肤、心脏等单器官芯片模型及多器官芯片模型。器官芯片不但具有比二维（2D）细胞模型更完整的结构和功能，还能够解决动物与人类之间的种属差异，有效模拟药物在人体内的毒性反应，在药物毒理学领域日益受到关注。
肝器官芯片
肝脏是人体最重要的解毒器官，也是很多药物毒性作用的靶器官，因此药物诱导的肝损伤（Drug‐induced liver injury，DILI）是药物毒理研究的重要内容。肝器官芯片是一种利用微流控技术构建的仿真人体肝脏组织或功能单元的仿生器官芯片，可模拟肝脏的微结构、微环境和和代谢活动等功能，并显著超越了传统的2D细胞模型，在生理微结构和功能完整性方面实现了质的飞跃，更重要的是能消除动物与人类之间的种属差异。为了验证肝芯片在药物毒性测试方面的应用潜力，Ewart等利用870个由人原代组织来源的肝器官芯片模型，对27种已知肝毒性药物进行了评估，验证它们对药物性肝损伤的评价效果。结果显示，肝芯片对药物毒性测试的灵敏度为 87%，特异性为 100%。该工作在一定程度上体现了这种新型肝芯片模型用于药物毒性评估的可靠性和经济学价值（图3）。因此肝器官芯片为精准有效地模拟人体器官的生理或病理状态提供了可能，为肝脏疾病研究以及肝毒性药物筛选等开辟了新路径，提供了高效可靠的动物替代实验平台。
图3 肝器官芯片构建及DILI评价结果
心脏器官芯片
心脏被称为“生命引擎”，将血液泵送到全身，向其他器官输送营养或代谢产物，这是人体维持正常生理活动的关键功能。自20世纪90年代以来，获批上市的药物中几乎有一半由于心血管并发症被撤回，大量的药物Ⅰ期临床试验失败也可归因于心血管毒性。对药物心脏毒性进行临床前评估的传统方法为动物模型，但动物模型价格昂贵、通量低，而且在生理上表现出物种特异性差异，很难再现成人心脏中心肌细胞（CMs）、血管内皮细胞（ECs）和支持细胞（如成纤维细胞）的典型结构和功能，因此难以准确评估药物反应。心脏器官芯片可以在生理相关模型中筛选多种心血管细胞类型的潜在心脏毒性化疗药物。Arun Sharma等开发了心脏器官芯片模型，在液体持续流动和机械拉伸力作用下，其人体生理仿真度更高，可从机理上研究心脏毒性，利用该模型进行VEGFR/PDGFR 受体酪氨酸激酶抑制剂 (VPTKI)的心脏毒性检测，观察到细胞类型特异性毒性对心脏毒性化合物的反应。心脏器官芯片亦可用于聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）等环境污染物诱导的心脏毒性作用的研究。梁戈玉等利用心脏类器官芯片（COoC）对短期和长期暴露于聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）引起的心脏损伤进行了动态观察，发现氧化应激、炎症、钙离子稳态破坏和线粒体功能障碍是PS-NP诱导心脏毒性的潜在机制和早期关键影响，而心脏纤维化是晚期的明显特征，进一步加深了对PS-NP诱导的心脏毒性作用的理解，并开发了一个有效的体外心脏毒性评估平台（图4）。
图4 利用高通量膜式芯片构建心脏类器官芯片及进行短、长期PS-NP暴露对心脏损伤的评价
肾器官芯片
肾脏是药物或其毒性代谢产物富集、排泄的重要器官，针对药物的肾毒性评价以及机制分析是新药研发中不可或缺的重要环节。药物引起的急性肾损伤（AKI）是候选药物在人体试验中失败的主要原因之一。在当前的药物研发流程中，动物实验仍然是临床前肾毒性评估的金标准，但存在效率低、成本高等问题，由于种属差异动物模型对于部分药物的肾毒性预测与人体的真实情况差异较大，因此，迫切需要开发更加优良与人类相关的肾脏模型，用于药物肾毒性评估，以有效提高药物开发效率，降低成本和提高其临床试验成功率。屠鹏飞等开发了一种高仿生的人原代近端肾小管类器官芯片，相比于当前常用的HK2细胞系模型，该芯片上所培养的细胞能够形成更强的屏障功能、吸收功能、外排转运功能，从而实现更灵敏的肾毒性预测能力。利用该芯片评估了顺铂、阿霉素、舒尼替尼等化疗药物的肾毒性，结果显示相比HK2，近端肾小管类器官芯片对肾毒性药物的预测更敏感，也揭示了高仿生的体外模型有助于研究肾毒性的作用机制（图5）。
图5 近端肾小管类器官芯片用于不同抗肿瘤药物肾毒性评价（VS HK2细胞系）
皮肤器官芯片
皮肤是人体最大的器官，其作为人体的屏障，直接与多种外界环境中的应激源接触，如太阳或电磁辐射，温湿度、微生物、化妆品、外用药物和机械应力等。随着国际上“3Rs 原则”的广泛推行，越来越多的国家逐渐要求药品、化妆品及原料测试禁止使用实验动物，目前已有超过40个国家和地区在化妆品安全评价中实施了动物实验禁令，这推动了皮肤器官芯片的发展。皮肤器官芯片是一种新型的体外皮肤生理和病理模型，能够更好地在不同体外环境下还原真实的皮肤生态，既能避免动物实验带来的种属差异和个体差异，解决生物伦理学与动物实验的冲突，也能极大程度提高体外的验证结果与人体真实情况的匹配度，可以用于药物安全性、化妆品安全性（包括腐蚀性、刺激性、光毒性等）和功效性（包括皮肤屏障、保湿、抗炎、美白、经皮吸收、抗衰老等）评价，还可以用于皮肤发育研究、皮肤疾病病理研究及药物筛选等。艾玮得生物利用自主研发的表皮芯片以固定时间暴露于10种已知刺激性的化学品，通过MTT法和跨膜电阻对10种受试物进行检测，可以准确区分化学品的刺激性与非刺激性，同时还可以通过形态学等方法对药物刺激性进行进一步评价（图6）。
图6 表皮芯片用于受试物刺激性评价
总结与展望
制药公司正在不断引入创新的毒理学研究工具和策略，以减少药物开发过程中与安全性相关的人员流失。研究毒理学的核心目标是预测临床安全性，但这一目标仍然存在较大的挑战。药物毒理学研究传统依赖于动物模型和2D细胞系，由于存在种属差异、缺乏细胞通信等不足，无法准确描述毒理学效应和预测人体内的实际反应。器官芯片作为颠覆性的新兴前沿技术，旨在尽可能地接近和模拟人体实际生理病理条件下的微环境，应用于药物安全性评价，显著提高毒理学研究的预测价值。器官芯片具有补充甚至替代传统细胞培养和动物模型的巨大潜力，可能极大缩减新药研发的周期，降低新药筛选失败的风险，给新药研发带来革命。
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《DNA测序技术及市场-2022版》
《苹果在无创血糖监测领域的发明专利与产业布局分析》
