开创疾病建模领域的革命性变革

通过融合生物学、工程学、人工智能与机器人技术，科学家们正打造一系列前沿技术系统，致力于让药物研发变得更安全、更高效且更符合伦理准则。

类器官示意图基于荧光显微图像绘制，绿色标记为细胞核，紫色标记为细胞膜。

类器官是实验室培养的三维模型，旨在模拟真实器官的结构与功能。

数十年来，动物模型与二维细胞模型一直是生物医学研究和药物研发的核心支柱，为我们如今受益的诸多医学进展奠定了基础。但这些模型往往难以充分还原人类疾病的复杂性，也无法精准预测药物反应，这也是导致临床试验高失败率的重要原因。

“人类具有高度多样性——而动物模型根本无法涵盖人类的所有表型。”加拿大多伦多大学化学工程师米莉察·拉迪希奇表示。

本文内容摘取自米莉察·拉迪希奇（多伦多大学功能性心血管组织工程学教授）在《自然》会议“人类疾病工程化模型”专场的访谈实录。

这些科学层面的局限性，再加上日益增长的伦理争议，推动监管格局发生了重大转变。2025年4月，美国食品药品监督管理局（FDA）宣布，将依据2022年颁布的《FDA现代化法案2.0》，把替代测试平台纳入药物评估流程。

这一举措标志着该领域迎来了关键转折点。当前，生物学与工程学交叉领域的技术突破，正催生新一代基于人体的实验模型，填补传统细胞培养与活体生物之间长期存在的鸿沟。

“这是一个高度交叉的学科领域。”《自然综述·生物工程》主编克里斯蒂娜-玛丽亚·霍赖什指出，“研发这类复杂模型需要整合大量不同领域的专业技能。”

2025年10月，《自然》会议在塞尔维亚贝尔格莱德举办了为期两天的“人类疾病工程化模型”国际会议，汇聚了全球各地的科学家、工程师、临床医生、计算科学家与创新者。本次会议由塞尔维亚政府及其旗下的第四次工业革命中心牵头主办，与世界经济论坛、联合国开发计划署联合承办，集中展示了疾病建模与生物工程领域的最新研究进展。此次会议也是塞尔维亚打造生物技术创新中心的重要举措之一，该国此前推出的“生物技术未来论坛”等项目便是这一战略的生动例证。

构建复杂生物模型

类器官是由干细胞自主组织形成的“微型器官”，能够重现人类复杂组织的多项关键结构与功能特征。

“我们先培育出肺、肠道、肝脏、胰腺等器官的微缩模型，再通过干预使其模拟特定疾病，比如遗传性疾病。”荷兰乌得勒支大学的汉斯·克莱弗斯解释道。2009年，他的团队开创性地利用成体干细胞培育出全球首个小鼠肠道类器官。

本文内容摘取自汉斯·克莱弗斯（乌得勒支大学分子遗传学教授）在“人类疾病工程化模型”会议的访谈实录。

研究人员正利用这些由人类干细胞和患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）培育而成的先进细胞模型，开展人类发育机制与疾病机理的研究。例如，奥地利维也纳分子生物技术研究所的于尔根·克诺布利希借助大脑皮层类器官，探索人类早期大脑发育过程与神经系统疾病。还有部分研究者将类器官技术应用于以往被忽视的研究领域，如女性特有的相关疾病。

“这些模型并非尽善尽美，但它们让我们得以探究以往无法触及的生理过程。”瑞士巴塞尔弗里德里希·米歇尔生物医学研究所的玛格丽塔·图尔科表示。她的研究方向是利用类器官模拟月经周期与胎盘生物学机制。

不过，类器官仍存在一些实际应用层面的局限性，制约着其更广泛的推广。“一个核心问题是类器官固有的异质性——每个类器官之间都存在细微差异。”美国斯坦福医学院的萨拉·海尔肖恩指出。她的团队专注于利用蛋白质工程材料与三维生物打印技术构建人体软组织模型。“因此，类器官培育过程中仍有不少环节，我们尚未完全掌握其调控机理。”

为攻克这一难题，众多科研人员将目光投向了器官芯片平台。这是一种生物工程技术系统，能够在体外重现人类器官复杂的微环境与生理功能。通过整合多种细胞类型、专用生物材料，并精准调控空间结构与力学环境，这些微流控系统的仿真度远超传统培养体系。尤为重要的是，器官芯片还能通过多种手段采集生物学信息，例如利用集成式实时传感器监测关键生理进程。

“如果将人类诱导多能干细胞与微制造器件相结合，我们几乎可以为所有人类疾病构建对应的模型。”拉迪希奇表示，“关键在于，我们能够对模型的功能进行量化检测，比如‘微型心脏’的搏动强度、肺或肾脏的通透性等指标。”

生物工程师们正研发新一代更精密的器官芯片平台，其中包括具备血管系统与免疫功能的模型、多器官互联网络、利用患者来源细胞以体现个体差异的模型，甚至还融入了微生物以模拟人体微生物组的影响。

在再生医学前沿领域，以色列特拉维夫大学的塔尔·德维尔展示了其团队在“生物打印”心脏组织方面的进展——他们已成功打印出具备细胞、血管、心室与心腔结构的三维微型心脏。研究人员将患者来源的干细胞与基于患者生物材料制备的“生物墨水”相结合，通过3D打印机构建器官。“也许在近几年内还难以实现，”他说，“但未来我们一定能通过生物打印技术制造出可用于移植的器官。”

本文内容摘取自塔尔·德维尔（特拉维夫大学生物技术教授）在《自然》会议“人类疾病工程化模型”专场的访谈实录。

新一代疾病模型并非局限于实体模型。美国约翰斯·霍普金斯大学的娜塔莉亚·特拉亚诺娃展示了其团队的开创性成果——基于人工智能的数字孪生心脏。这些个性化的虚拟心脏模型由医学影像与临床数据重建而成，能够模拟患者对治疗方案的反应，助力临床医生实现“先测试、后治疗”的精准医疗模式。

挑战与未来展望

研究人员提醒，要让这些模型在转化医学研究中充分发挥潜力，仍需克服诸多重大挑战。

“核心挑战在于，如何确保模型能够完整重现目标疾病表型，并且可以精准预测人体对药物的反应。”拉迪希奇表示，“目前整个科研界都在齐心协力推进这些模型的验证工作，使其能够获得监管机构的认可。”

一个关键问题亟待解决：应由谁来判定何种模型适用于何种研究场景？这一判断高度依赖具体应用情境，也凸显了学术界、产业界与监管机构加强协作的必要性。

可重复性与规模化生产能力同样不可或缺。瑞士巴塞尔罗氏人类生物学研究所创始所长马蒂亚斯·卢托尔夫介绍了其团队研发的微流控平台，该平台可实现肠道类器官的标准化培养，生成高度一致的“微型结肠”模型，适用于高通量药物筛选。

自动化技术正成为推动模型规模化应用的关键力量。拉迪希奇的实验室正在开发由人工智能驱动的机器人培养系统，该系统可同时培育和分析数千个组织模型。“这听起来如同科幻小说，但如今已成为现实。”她表示。

这些技术进展也引发了新的伦理思考。随着模型的个性化与预测能力不断提升，拉迪希奇强调，必须确保其研发与应用始终坚守伦理底线。“我们需要与社会科学家开展合作，确保我们的研究工作建立在安全、符合伦理的坚实基础之上。”

本次会议传递出的核心信息十分明确：当下正是投身生物工程领域的黄金时代。“这个领域正以前所未有的速度蓬勃发展。”霍赖什说，“监管机构正在敞开大门，而一旦产业界深度参与其中，整个领域的发展速度还将进一步加快。”

如今，来自不同学科的研究团队正围绕一个共同目标携手奋进：以更高的仿真度重现人类生物学机制与疾病特征。

“这是一个极为复杂的难题，需要汇聚众多不同学科的专业知识。”海尔肖恩总结道，“当我们携手合作时，就能找到更具创新性的解决方案。”