矢志空天报国 逐梦器官芯片

2022-07-23 04:34谢更好
科学中国人·上半月 2022年5期
关键词:器官芯片研究

谢更好

器官芯片(Organ-on-a-chip)是一种将人体活细胞植入微流体芯片内再现人体组织器官功能的微生理系统,可用于替代小白鼠等动物模型来进行药物快速评价,也可应用于疾病模型和精准医疗,在2016年被世界达沃斯论坛评为“十大新兴技术”之一。自2011年美国总统奥巴马宣布由美国国立卫生研究院(NIH)、美国国防部高级研究计划局(DARPA)和美国食品药品监督管理局(FDA)共同组织发展器官芯片联合项目以来,世界范围内掀起了研究器官芯片的热潮。迄今为止,国际上已经开展了心脏芯片、肾脏芯片、肺芯片、肿瘤芯片等多个器官芯片项目研究并搭载进入国际空间站。

“空天报国、敢为人先,服务国家重大战略”是北京市生物医学工程高精尖创新中心、北京航空航天大学生物与医学工程学院双聘副教授郑付印始终萦绕在心的科研情怀。多年来,他和科研团队一直面向生命健康、脑科学和空天科技交叉领域开展前沿创新研究,在地基和面向空间站的类器官和器官芯片构建并应用于新药研发、疾病模型和航天生理等研究领域取得了突出成绩。在中国类器官和器官芯片的地基产业化及将其送往中国天宫空间站的征途中,郑付印和他的研究团队始终在肩负着探路者的角色,每一步都走得掷地有声。

逐梦——从生物学启蒙

到多学科交叉

千百年来,生物学为推动科学的进程发挥了重要作用。追溯郑付印的科研之路,生物学也正是启发其科研兴趣的根源。从本科的生物启蒙到硕士开展细胞和组织工程的科研初探,再到博士期间在东南大学生物医学工程专业的深入开拓,近十年的时光里,他一直在类器官和器官芯片领域沉淀和探索,每一步都走得踏实而坚定。

随着器官芯片产业化和空间应用研究的蓬勃发展,助力航天梦成为多少学子心中梦寐以求的期盼。2014年国庆节当天,郑付印在中国航天员科研训练中心的航天医学基础与应用国家重点实验室正式开启了关于空间应用的器官芯片研究。在顺利完成一年的攻关合作任务以后,为了能学习到器官芯片更先进的技术,郑付印争取到国家公派留学的资格,远赴美国开展脑类器官芯片的研究。依然是国庆节前夕,出国当天,郑付印特意在老家聊城火车站吃了一碗加州牛肉面,在迫切而又喜悦的心情中,他于2015年10月1日到达美国知名学府加州大学伯克利分校从事器官芯片研究。

博士毕业后,郑付印又通过不懈努力,成功申请到了美国知名学府麻省理工学院(MIT)的博士后。置身于器官芯片的发源地——大波士顿地区,郑付印有了近距离接触哈佛大学和MIT的器官芯片领域知名学者和学业导师的机会,并如饥似渴地学习了光遗传学、干细胞、类器官和器官芯片等领域的前沿知识和技能。一年多以后,他又经导师安排到新加坡南洋理工大学开展了新实验室的筹备组建和新课题方向的开拓,在独立开展科研工作的过程中,锻炼了其建立和管理实验室的能力,这一切都为其回国开展相关领域研究工作打下了坚实的根基。

筑梦

——做中国自己的器官芯片

青衿之志,屡践致远。追根溯源,郑付印从事器官芯片研究的科研报国初衷由来已久。不管是博士时期在中国航天员中心的所见所闻,还是到MIT工作时与国际空间站器官芯片研究团队仅仅一层楼之隔的独特经历,身边的故事一直激励着他要投身到中国太空器官芯片的研究中。

2016年4月24日是第一个中国航天日,两年后郑付印的孩子非常幸运地和中国航天拥有同一天的生日。在笃定回国的时候,郑付印最大的希望,就是能找到合适的平台,通过自己多年来所积淀的研究经验,为祖国太空器官芯片科研事业作出应有贡献。凭借不懈的努力和良好的表现,他如愿入职北京航空航天大学。来到这一平台之后,郑付印马不停蹄先后成功申请到了国家自然科学基金青年和面上项目等多项基金,并成功获得了北京市科技新星计划的人才项目的支持。与此同时,他还加入了北京市生物医学工程高精尖创新中心。在平台的支撑下,郑付印与团队成员成功建立了仿生类器官和器官芯片实验室,集中精力开展人体类器官和器官芯片的地基产业化和空间应用研究。

多学科的研究背景,是郑付印大展拳脚的“武器”。多年来,他和合作团队成员们开展了一系列创新性研究工作,诸如在《美国科学院院刊》(PNAS)上发表了人工智能辅助的视网膜微动脉瘤芯片研究,并在领域权威期刊《先进生物学》(Advanced Biology)杂志上发表了一篇40页、字数3万余字的人体类器官和器官芯片的封面综述论文,系统总结了类器官和器官芯片的优势互补和集成研究,以及借助3D打印和数值模拟优化制备类器官和器官芯片的系统集成工程的技术挑战和限制。这一涉及解决方案和未来前景的论文,引起了领域内学者的广泛关注。

“太空飞行会导致人体发生许多重大变化,我们希望太空中的组织芯片能够代替宇航员的身体,去经历同样的快速变化,为构建虚拟宇航员提供支撑。”郑付印说。针对生理微结构提取和空间可行性的关键技术挑战问题,他所在的课题组已设计了空间应用型抽屉式器官芯片,构建了多种模拟纤维状组织或器官的体外模型,如仿生肝小叶、神经束、肌肉纤维等,适配空间站实验舱环境,为在轨器官芯片的研发、测试和搭载提供了很好的关键实验模型。

追梦——面向器官芯片的地基产业化和空间标准化发展

科学事业是郑付印一生不懈的追求。为数不多的闲暇时光,他也经常在阅读文献中度过。学海无涯,在他的眼中,知识的摄入是无止境的,要想在研究领域中深耕,就要永不停止对理论知识的扩容。

“专注于自己想做的事情,然后在這一基础上挑战一些更高难度的工作”,长期以来,郑付印攀登科学高峰的道路从未止息。现如今,他正在开展无接触光控可视化的器官芯片研究,即将光遗传学调控的人源诱导多能干细胞(hiPSC)定向分化为多种神经元、心肌细胞和骨骼肌细胞,构建神经与靶组织(肌肉、心肌和血管)或靶器官强大的功能和生理耦合的融合类器官或器官芯片,特别是脑类器官、心肌类器官和融合类器官,以及神经肌肉接头,神经心肌接头和神经血管单位的神经支配的关键体外模型,构建集成光电刺激、结构色传感、联动搅拌、在线培养和监测一体化的器官芯片平台。

生物芯片与未来生活有着密切的联系,在国家鼓励科学工作者投入创新创业的时代大背景下,未来郑付印还将和研究团队在器官芯片的标准化、定型化、产品化,以及成果转化和产业化等方面进行更多实际探索。在此基础上,最终开发和验证一个研究全身系统性、正常生理、疾病病理和精准药物评估,且能够反映多器官与实时动力学相互作用的人体类器官芯片平台和集成设备。

行远自迩,笃行不怠。回首过往,郑付印感慨:自己所走的每一步都是在摸着石头过河。虽前路充满未知,但他的内心却始终坚定。以梦为马,郑付印已迫不及待投入未来的挑战中。

(责编:张闻)

猜你喜欢
器官芯片研究
ORGANIZED GIVING
装错芯片的机器人
皮肤是个大大的器官
器官捐献
谁说小孩不能做研究?
Applications of Deep Mixing to Earthquake Disaster Mitigation
A Thought:What have We Learned from Natural Disasters? Five Years after the Great East Japan Earthquake
对周期函数最小正周期判定法的研究与应用
植入芯片变身“超人”,挥手开门不再是传说
什么是AMD64