生物传感器和微流控装置的研发，正在无形之中推动生物医学研究的革命，科学家可以在许多实验中减少或避免使用活体动物。
几十年来，实验室生物学家一直认为动物实验是不可避免的。
尽管一些动物保护者谴责他们，但即使是最务实的研究人员也承认他们有根本的问题。
动物实验成本昂贵，不仅不能提供完美的人类生物学复制品，而且在实验中引入了许多难以或者根本不可能控制的变量。
这些缺陷并不是纯粹的学术缺陷。
多年来，制药研究人员一直在与后期的开发失败作斗争，在这一过程中，在多种动物系统中看起来很有前途的药物在人类身上都是徒劳的，甚至是有害的。
非人类模型是仅对人类生物学进行详细研究的最佳工具。
然而，由于在完全不相关的领域取得了进展，这种严峻的形势开始发生变化。
利用改进后的生物传感器可以监测微观空间，以及将计算芯片的小型化特征与活细胞和组织结合起来的微流控装置，研究人员正在建立系统，减少甚至消除对实验室动物的需求，同时产生更好的数据。
药物动力学研究人员一直是改善动物模型的最热心的支持者之一。
理想情况下，研究人员希望确切地知道药物在体内的去向，以及药物如何和何时被加工，从而产生从给药到新陈代谢到排泄的详细历史。
在实践中，这涉及到繁琐的技术，例如给无数的动物提供药物治疗，并在不同的时间牺牲它们进行分析。
除了费力和昂贵，这些实验只给出了粗略的测量时间和身体间隔的药物代谢。
近年来，研究人员将微型电化学碳传感器植入动物体内，这些传感器可以实时测量单个动物的代谢变化。
这对大脑中的多巴胺和5-羟色胺等自然信号有效，但高背景噪声和低动态范围的碳探针使它们在研究药物代谢方面做得很差。
化学家和生物学家正在合作克服这些限制。
Aisuaki Einaga，化学教授庆应大学在日本横滨，几十年来一直致力于电化学传感器的研究。
Einaga的小组发现，掺硼的金刚石探针在检测溶液中的电化学变化方面特别出色。
他的研究人员已经在从废水处理到化学合成的系统中测试了这些探针。
“为了进一步探索它们的生物应用，2007年我们成功地缩小了探索微尺度”，Einaga说。
Hibino，分子生理学教授新泻大学医学院在日本的Niigata，看到了该系统在药物动力学应用方面的潜力，并于2011年开始与Einaga合作。
这两个实验室已经发现，掺硼的金刚石探针可以检测由几类药物在活体动物和移植器官中引起的电化学变化，从而提供药物浓度的实时数据。
Einaga说：“这些传感器测量的药物数量比任何常规电极都多。”
例如，在最近的一篇论文中，研究小组准确地测量了豚鼠内耳中利尿剂、抗惊厥药和化疗药物的浓度。
Hibino说：[我们有一个测试肾脏的计划，而且两组人员正在讨论进一步的合作，以开发一种可植入的微传感系统来追踪药物及其在大脑等器官中的纵向效应。”
他补充说，这两个实验室目前正在与其他几个希望将该技术应用于从肿瘤学到精神药理学领域的研究人员进行讨论。
虽然改进的生物传感器可以从每种动物身上提取更多更好的数据，但它们也可以与微流控装置结合起来，彻底取代动物，至少在某些类型的实验中是如此。
微流控设备制造商借用电子工业的技术，在晶片样晶片上制造微型实验室。
芯片通道和腔室的小尺寸意味着流体可以快速通过它们。
微流控装置还可以包括模拟生物室的复杂结构，使培养的细胞表现得更自然。
最后，这些芯片可以在半导体制造设备上大量生产，使它们相对便宜。
在过去的几年里，生物学家已经建立了一系列越来越复杂的微流控装置，这些设备基本上已经进化成了人造的、微型化的人体器官。
在这些系统中内置的生物传感器可以让研究人员实时观察，例如，一个微小的类似人类的肝脏或肾脏对一种药物的输入剂量产生反应。
不过，这些新系统的潜力可能令人望而生畏。
“对我们仪器供应商来说，最大的挑战是教育人们，”法国巴黎的法比安·克雷斯波(Fabien CReso)说。
克雷斯波补充说：“人们有点害怕微流体，这是一个很大的管道。”
Elveflow和其他几家公司已经把这种微观的“管道”作为他们的主要关注点。
克雷斯波说：“研究人员现在可以找到适合他们应用的微芯片，我们正在提供一切来控制这些微芯片内的液体流动。”
由于微流控领域已经标准化了不同类型的管件进出芯片，一个单一的液体处理系统可以适应不断变化的实验室需要。
例如，在Elveflow的设置中，点击式计算机接口允许研究人员建立控制液体流动的多步协议。更高级的用户可以使用脚本接口以编程方式驱动系统。
这种灵活、模块化的系统无疑是微流体技术变得如此流行的原因之一。
克雷斯波说：“我们在这个领域看到了大量的扩张，特别是在过去的两年里。”
他补充说，虽然微流体的第一批使用者大多在学术研究实验室，但他看到来自工业科学家的需求越来越大。
这很可能是因为人们对开发新的临床前药物筛选检测方法的兴趣，但克雷斯波也预计微流剂将在未来几年内开始出现在护理诊断测试中。
Olivier Guenat，AlveoliX首席执行官说：“我们希望能从病人身上提取细胞并对其进行测试，看看哪种疗法对那个病人最好。”
近十年前，通过基础研究和有远见的政府援助相结合，微流体力学的新繁荣的基础开始了。
当一些学术实验室的研究人员开始建立“芯片上的器官”系统时，美国国立卫生研究院(NIH)、美国食品和药物管理局(FDA)和美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency)注意到了这一点。
“这很明显将是一个很有希望的工具和技术”，丹尼洛·塔格尔(Danilo Tagle)说。
他是美国国立卫生研究院(NIH)27个研究所和中心之一，国家推进翻译科学中心(NCATS)主任办公室特别举措的副主任。
2011年，Tagle和其他机构的同行召开了一次与研究人员的会议，讨论如何将新的组织和器官芯片转化为药物测试和监管审批的实用模型。
Tagle说：“过去几年的大量研究表明，药物研发中多达90%的损耗是由于在使用细胞培养系统和体内动物模型时未能预测安全性和有效性所致。我们希望芯片上的这些组织或芯片上的器官能够填补我们所需的缺失信息，以便在药物开发方面取得更好的成功。”
为了帮助实现这一点，NIH创建了药物筛选用组织芯片2012年计划。
计划由NCATS管理，与几个学术实验室合作，该计划的五年目标是在芯片上建立器官，从而准确预测人体对药物的反应。
由该项目资助的研究人员必须制造设备，使细胞能够在模仿特定器官或组织的环境中存活，并将生物传感器用于测量细胞的生理学。
该项目现在已经建立了几个器官芯片的独立测试中心，使用了100多种药物，这些药物清除了传统的临床前测试，但在临床试验中却失败了。
“我们问的问题是，一个给定的芯片会预测2D培养系统和动物模型无法预测的不良事件吗？”塔格说。
在这些测试中表现良好的器官芯片可以用来补充甚至替代药物制造商未来提交的监管文件中的动物数据。
组织芯片计划在7月份结束了其第一阶段，有几个很有希望的系统正在测试药物毒性，现在该项目的重点是药物疗效的模型。
这些单一和多器官系统将用于模拟特定疾病，包括帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和骨关节炎。
器官芯片相对于传统细胞培养系统的主要优势是能够模拟完整器官的复杂结构和动态。
晶片制造商不局限于扁平、实心的表面，而是可以将微观通道、曲线、孔隙和细胞层结合起来，以供细胞填充。
微流控装置的精心控制、可编程的流体流动增加了该技术的真实性，重新创造了同样类型的细胞在活着的人类中会遇到的力量。
肺部提供了这一方法的挑战和潜力的一个很好的例子。
在人类肺中，细胞保持着两个不同侧面的半透性屏障，允许空气和血液之间的气体交换，同时保持着两种液体分离，并承受每一次呼吸弯曲的规律循环。
哈佛大学的研究人员在威斯研究所，于2010年第一次用肺芯片模拟了这个系统。在马萨诸塞州的波士顿，研究人员正在继续研发这种芯片和其他器官芯片。
不过波士顿队并不孤单。
“我们看到了怀斯研究所(Wyss Institute)发表的这篇非常有趣的论文，而且我们想进一步研究这个概念”，身在瑞士伯尔尼的奥利维尔·格纳特(Olivier Guenat)说。
格纳特也是伯尔尼大学的小组负责人ARTORG生物医学工程研究中心，他的实验室与临床小组合作治疗肺部疾病。
为了模拟肺的结构和三维变形，格纳特的团队开发了一个平台，将细胞种子植入含有规则间隔孔的薄层硅酮上。
只有3微米厚，尽管如此，这些层仍然足够坚固，能够承受反复的、呼吸般的弯曲.在完成了这一任务之后。
“第二大挑战是我们希望开发一些非常容易使用的东西”，格纳特说。
经过几次设计迭代之后，AlveoliX现在有了一个原型系统，可以在一个标准尺寸的多晶板上维护12个肺芯片。这种安排使用户能够使用现有的显微镜、平板阅读器和其他普通实验室设备来处理和测试芯片。
格纳特说：“我们希望能够从病人身上提取细胞并对其进行测试，看看哪种疗法对病人最好。”
这些芯片在临床前的研究中也是有用的。
科学家能够控制流体流动、机械应力和其他参数，其精度比在活模型中的精度要高得多，同时也消除了动物处理方面的挑战。
格纳特说：“我不认识任何喜欢牺牲动物的生物学家，我们真的希望减少动物试验。”
多器官系统。
随着器官芯片的日益成熟，该领域的科学家已经将微流体和生物传感器技术推向了下一个逻辑步骤：多器官系统。
理论上，我们可以简单地通过不同的芯片串联输送培养基，在高科技的原始人体内循环药物和代谢物。事实证明，这一现实挑战要大得多。
“当有人试图这么做的时候，有很多事情会出错”，MikeShuler说。他是公司的总裁兼首席执行官。
赫斯佩罗斯位于佛罗里达的奥兰多，这家公司专门生产多器官芯片系统。
舒拉也是纽约伊萨卡康奈尔大学的工程学教授，他认为即使是对多器官芯片系统非常熟悉的人也很难让它们运行。
他说：“当我把技术从我的实验室转移到公司时，有时我们需要几次迭代才能使它正常工作。”
因此，Hesperos的业务建立在作为一种服务提供多器官模型的基础上，而不是试图将它们作为独立产品来销售和支持。
到目前为止，该公司已经与几家对检测芯片上的药品线索感兴趣的制药公司进行了合作。
Shuler说：“Hesperos通常用四个或五个相互关联的器官来构建系统。肝脏几乎总是最关键的部位，然后是心脏和神经肌肉接头，这可能是最受欢迎的。”
他又补充说：“公司还建立了包括人工皮肤、胃肠道和血脑屏障的系统。”
最大的挑战之一是让系统运行足够长的时间来进行长时间的代谢测试。
Shuler说：“我们试着把手术延长到28天。”
在这个时间尺度上，氧气和二氧化碳在细胞介质中的溶解度的差异会导致气泡的积聚，破坏系统严格控制的流体流动。Hesperos通过消除通常用于控制微流控装置的泵，并使用精心设计的重力流系统来解决这个问题。
随着这项技术的不断发展，微流控制系统的拥护者们预计，在未来几年，微流控制系统将迅速普及。
Hesperos的首席科学官詹姆斯·希克曼(James Hickman)说：“我们已经被投入到大大小小制药的工作流程中，而且到目前为止，我们已经能够实现人们为我们设定的每一个里程碑。”
Shuler预测，人类器官芯片最终将取代动物或大大减少动物的使用，这是药物开发过程中不那么重要的一部分，因为你正在获得关于人类系统的数据。
