生物学家和生物工程师 Donald E. Ingber 没时间睡觉。作为哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所的创始所长，随着年龄的增长，在工作之外找到时间变得越来越难。67 岁的他，早晨仍然从凌晨 5 点开始，处理着似乎每天都在增长的电子邮件。
午饭前，他已经修改了一份重要的政府拨款预算，并与博士后研究员就各种研究项目进行了会谈。Ingber 还必须处理他从未想过会落入他职责范围内的意外事务，例如移民和政治动荡。最近，一位他从德国聘请的科学家带着妻子和孩子来到美国，却因持有伊朗护照在洛根机场被拒绝入境，Ingber 花了整个上午与哈佛大学签证办公室交涉，试图让他回到美国。
他既是 CEO，也是科学家。他把生物学家和生物工程师 Donald E. Ingber 没时间睡觉。作为哈佛大学 Wyss 生物启发工程研究所的创始所长，随着年龄的增长，在工作之外找到时间变得越来越难。67 岁的他，早晨仍然从凌晨 5 点开始，处理着似乎每天都在增长的电子邮件。
Ingber 的工作曾被《Discover》报道，当时我们报道了所谓的“肺芯片”和“身体芯片”的开发。他最新的项目之一是“阴道芯片”。这些微小的装置，由透明聚合物制成，大小与 U 盘相似，包含着有生命的细胞内衬的“微流控通道”，模仿人体器官。每个器官芯片都使用人体组织，通过循环系统维持生命，使细胞得以存活。
利用这些微型模拟活体人体器官，Ingber 证明了在许多方面，芯片技术比使用动物模型更有效——也更人道。芯片的使用也比使用人体实验者变异性更小。
当研究人员使用芯片来测试药物疗法或药物对特定器官的毒性时，他们可以控制诸如药物浓度随时间的变化、物理应力、氧气水平以及人类无法始终控制的遗传因素或工作历史等变量。如果不用人类或动物参与，他们也可以更高效、更快地进行药物测试。
Wyss 研究所成立于 2009 年，一直处于旨在解决现实世界挑战的研究前沿。Ingber 最近通过视频聊天接受了《Discover》的采访，解释了器官芯片技术的实用性以及他的工作如何为现代研究带来了关键性的升级。
Ingber 最新的一个开发成果是用于模拟阴道微生物群的芯片。这种芯片可以改善像细菌性阴道病这样的疾病的治疗，细菌性阴道病是许多健康问题的常见原因。（图片来源：哈佛大学 Wyss 研究所）
哈佛大学 Wyss 研究所
问：您的阴道芯片在新闻报道中非常受欢迎，甚至上了深夜电视节目，斯蒂芬·科尔伯特秀（The Late Show With Stephen Colbert）对您和这个芯片进行了幽默的提及。您认为它为什么能引起如此大的关注？
DI：我笑了，因为仅仅是斯蒂芬·科尔伯特的那次提及，就比我能想象到的任何事情都更引起了人们对女性健康的关注。细菌性阴道病是早产和死亡、艾滋病感染易感性增加以及其他在资源匮乏国家普遍存在的健康问题的主要原因。在美国，贫困社区因该疾病而面临更高的艾滋病感染风险和不良健康结局。
该芯片模拟了阴道微生物群，它既有健康状态，也有失调的、或不健康的状。在患有细菌性阴道病的健康女性中，阴道乳杆菌是主要的细菌，而在失调状态下，阴道乳杆菌较少，并且菌群更多样，包括如阴道加德纳菌等细菌。
其目标是通过像工程益生菌这样的廉价解决方案，将有益细菌输送给患有阴道病的患者。盖茨基金会正与科学家合作开发一种阴道乳杆菌菌株混合物，可以为患者提供简单的治疗。但是，你不能在小鼠身上测试这种益生菌，因为它们没有相同的微生物群或生殖道。事实上，没有哪种动物模型可以用来测试这种药物疗法。
盖茨基金会找到了我们，要求我们设计一种技术来测试药物疗法，而阴道芯片在填补这一空白方面效果非常出色。一项大型临床试验即将同时在南非和波士顿的马萨诸塞州总医院进行，届时我们将把我们的结果与患者的临床结果进行比较。如果成功，该芯片就可以用于开发改进的益生菌配方。
问：我听说您还开发了一种类似的宫颈芯片。这会如何转化为治疗？
DI：宫颈芯片在粘液产生以及对女性月经周期激素变化的反应方面，与真实的宫颈非常相似。这项技术还可以用于研究艾滋病、宫颈癌和其他病毒感染模型。
我们知道，患有阴道病的人更容易感染某些病毒，如艾滋病，但这样的模型可以帮助我们找出原因。使用宫颈和阴道芯片，我们可以单独控制每个参数，而在人体上是永远无法做到的。例如，研究人员长期以来一直认为宫颈粘液在阴道病中起作用，但我们并不确定，因为粘液一直存在。但有了芯片，您可以通过减少粘液产生并观察其影响来控制这一点。
问：您真的使用了一个吸烟机器人来测试吸烟的影响吗？
DI：是的，我们做到了。通常，当研究人员测试香烟吸烟对身体的影响时，他们会使用尼古丁提取物并将其添加到培养皿中的细胞中。但吸烟的影响不仅仅是烟草对细胞的影响；我们吸入的速率以及其他多种因素也会影响健康结果。为了更接近地模拟吸烟对呼吸道的影响，我们设计了一个吸烟机器人，它可以像人类一样呼吸，有停顿、脉冲和深吸气。
使用真正的香烟烟雾，研究人员能够更精确地模拟吸烟机器人吸入的香烟烟雾会如何损害流经气道芯片的细胞。当我们把我们的研究结果与一组九名健康但吸烟的患者的综合结果进行比较时，我们发现机器人的结果与人类患者的结果惊人地相似。
器官芯片技术为药物测试和其他研究无需动物测试的未来铺平了道路。（图片来源：Gorodenkoff/shutterstock）
Gorodenkoff/shutterstock
问：败血症为什么会成为您研究的重点？
DI：我一直把科学比作烹饪，因为它是一个不断加入配料的创造性过程。一个研究想法常常会演变成另一个，败血症就是这种情况。微流控是流体在微通道中流动的行为，它们可以并排流动而不混合。同样，如果你在芯片上同时流动血液和无菌盐水，它们也不会混合。
在败血症中，身体的炎症反应会刺激细胞因子的产生，从而导致这种状况。如果你能够更早地清除刺激炎症反应的病原体，你就可以预防败血症。
我们设计了一种添加到盐水溶液中的蛋白质，它可以做到这一点：通过磁力结合病原体并将其从血液中清除。后来，我们将这种蛋白质固定在临床透析仪上，该仪器最近已进入患者临床研究。希望这能帮助挽救每年在美国死于该疾病的至少 27 万人。
问：您能谈谈您在开发放射性损伤治疗方面的工作吗？
DI：我们获得了生物医学先进研究和发展局（BARDA）的资助，该机构是美国政府负责生物威胁减少和防御的机构。他们储备了在例如大规模放射性危机中可能使用的药物。
我们开发了骨髓、肺和肠道芯片，可以在其中测试放射性损伤的影响。与微生物群类似，动物模型对放射性不适用，因为它们对放射性的反应与人类不同。
这些芯片还表明，人体的一些部位对辐射的抵抗力更强。例如，骨髓芯片中的细胞非常敏感，而肠道芯片中的细胞中度敏感，肺芯片中的细胞则具有抵抗力。
更重要的是，每个器官芯片上的辐射敏感性水平与我们在人类身上看到的情况相符。我们还正在利用这些芯片测试许多可以抑制辐射损伤并可在核灾难发生时使用的化合物。
在 Wyss，Ingber 和他的同事们多年来开发了几个器官芯片，包括一个连接到真空管以模拟呼吸的“肺”。（图片来源：哈佛大学 Wyss 研究所）
哈佛大学 Wyss 研究所
问：在远程工作的时代，您认为 Wyss 研究所的协作性质是否能带来更多创新？
DI：Wyss 研究所是一个独特的地方，因为我们是一个以转化研究为导向的研究所，这意味着我们努力在短期内产生影响。我们不是在进行开放式的探索性研究；我们试图解决问题。我们需要两者兼顾，而我两者都做过。但我们的短期视角使我们能够找到解决方案。自研究所成立以来，我们每月都有一篇《科学》或《自然》杂志的论文发表。我们的结构是进行协作研究和跨学科工作。这与学术界截然不同，因为我们不分部门或学院。我们是一个独立的研究机构，隶属于哈佛大学，但也与 12 所机构合作，包括麻省理工学院、波士顿大学、塔夫茨大学、马萨诸塞大学阿默斯特分校，以及所有哈佛附属医院以及欧洲的机构。
当有人带着挑战来找我们时，比如 BARDA 或盖茨基金会，我们可以汇集一批最奇特、最古怪的研究人员，你可能永远想不到他们会一起合作完成一个项目。当你把一群从未合作过的才华横溢的人聚集在一起时，他们就能从不同的角度看待问题，找到以前未曾发现的解决方案。
问：您的研究远不止是研究，还致力于生产可应用的科技。为什么这很重要？
DI：除非你能获得人们的资金支持并将其带给患者，否则你无法影响世界。不只是金钱。科学家们常常认为，获得专利就是“出卖”。但如果你没有专利，你就永远无法获得将项目付诸实践的资金。我们拥有 4000 项专利。我们像一家中型公司一样运营，由 58 家初创公司组成。这就是资本主义的运作方式，也是创新中重要的一部分。
我们有自己的内部知识产权律师，他们的职责是为研究人员提供反馈，帮助他们使工作具有可专利性。我们还有自己的业务发展团队，指导科学家沿着正确的道路进行研究，并提供加强想法的建议。我们还要求我们的研究人员提出一个愿景——或者一个项目的初步应用——这样他们的想法在整个过程中都能保持专注。然后我们为他们提供资金，让他们能够围绕这个想法组建团队。
问：您一直在为药物测试和研究摆脱动物测试的未来奠定基础。这方面有什么最新进展？
DI：最近通过的《美国食品药品监督管理局现代化法案》允许使用器官芯片和其他人类相关技术进行药物测试，而不是使用动物模型。这是 FDA 自 1939 年以来首次就该主题提供指导，而且早已过了时。
在我还在读研究生和博士后期间进行动物研究后，我明确地想致力于体外模型的开发。如果你养过猫狗，对它们进行研究是很痛苦的，非人类灵长类动物的情况更糟。由于 COVID，非人类灵长类动物也出现了短缺，因为它们被大量用于开发药物和疫苗。这引起了人们对器官芯片的极大兴趣。此外，由于伦理问题，全球的灵长类动物中心已经关闭。
最重要的是设计出更有效、更安全、更便宜、更快的药物，同时，我们也可以拯救动物的生命。作为一个动物爱好者，这项工作对我个人来说非常有意义。
本次采访为节省篇幅和提高清晰度已进行编辑。
这个故事最初发表在我们2024年7/8月号。点击此处订阅阅读更多类似的故事。
