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「器官晶片」作為近年來蓬勃發展的精準醫療潛在方案備受討論，同時也是「動物替代實驗」中相當關鍵的拼圖，但器官晶片怎麼做、又該怎麼用，《Heho》透過視訊專訪陽交大生醫工程研究所教授、器官晶片公司創辦人陳冠宇，揭露器官晶片在產業與精準醫療中扮演的真正角色。
陳冠宇帶領團隊從 10 多年前開始著手開發肺器官晶片，成為現今台灣擁有最前端技術的團隊之一，並獲得美國 IBM 長期合作協議，今年則獲得國科會創新創業激勵計畫創業傑出獎，如今亦持續發展其他部位器官晶片研發，並規劃應用台灣的資通訊（ICT）和半導體優勢，擴大器官晶片應用可能性。
器官晶片是什麼？
微流體晶片的種類相當多樣，陳冠宇提到，目前有透過微流體設計、用於檢測用途的生物晶片，比如以血液為檢體的感測晶片，但他的團隊目前研發的不是此類檢測用途的晶片，而是培養細胞組織、用於科研或學研用途的實驗用器官晶片。
陳冠宇形容，這項技術就像在做樂高的一塊積木，同樣的積木到不同的人手上，可以堆出不同的成品，器官晶片公司可以提供器官晶片的模型，依據使用者需求，再將培養後的細胞後放入，或是由使用者自行培養細胞後放入，藉此在人體外重現某些器官特徵、並用於各種用途。
器官晶片重現的是特定的最小功能單元，比如肺的纖毛、肺泡等。陳冠宇指出，目前國外大型器官晶片公司都會有自己專精的細胞培養種類，比如神經、心臟、腸胃道、肝臟等不同種類。
雖不能代表整個器官，但器官晶片面對藥物或環境變化有反應迅速、可迅速發現風險的特性，對於加速研究、減少研發成本有相當優勢，且統計報告顯示，現階段器官晶片使用者有70%是藥廠、30%是科研團隊。
為什麼會出現器官晶片？
目前藥物臨床前試驗大多仍要求要經過動物試驗，以此證實藥物安全性與藥理機制，但也因此每年消耗大量的實驗動物，隨之而來的是嚴重的動物權利問題與討論，而不需要傷害動物、也能完成特定器官特徵模擬的器官晶片成為備受期待的替代方案。
據農委會2021年實驗動物人道管理年報統計，當年實驗動物總使用量為 5,671,920 隻，其中大宗為「生物製劑製藥廠」4,287,342 隻（75.59%）、「專科以上學校」575,542 隻（10.15%）、「試驗研究機構」521,286 隻（9.19%）。
陳冠宇說，他投入器官晶片開發也與在學期間的動物實驗有關，當初在麻省理工學院做做癌症治療相關奈米材料開發時，正好碰上暴風雪，作為學生的他就想著，是不是有不用到實驗室做動物實驗、也能取得科學數據的方法，也因此回到台灣後就投入了器官晶片的開發。
器官晶片試驗的優勢？
器官晶片作為動物實驗的替代方案持續發展。陳冠宇提到，雖有大量動物作為研究開發用途使用，但動物實驗進入臨床試驗後的失敗率其實在 92% 以上，藥物開發人員只能在 8% 的機率裡去反覆嘗試、尋找成功的機會。
針對動物實驗失敗率高的原因，陳冠宇解釋，動物天生的生理特性就與人類不同，以肺部晶片來說，肺小鼠實驗中，小鼠呼吸頻率是人類的 5 到 7 倍，但小鼠的肺部黏液、纖毛組織狀態與功能，是人類的不到 30%，再加上動物不可控因素多，實驗出來的結果自然天差地遠。
但若改用肺晶片，目前團隊技術已可以把人的組織狀態完整模擬出來，並透過呼吸循環系統去控制，表現出不同疾病狀態下的呼吸頻率與其他生理特性，更好的測試藥物在人體內會發生什麼事，且多數因素可控，以前動物實驗要花 2 個月做的事，器官晶片可能未來 1 個月就能有結果。
動物實驗可以被完全替代？
陳冠宇指出，動物替代技術從臨床前進入臨床試驗的成功率，理論上會高非常多，美國一項器官晶片對 27 種藥物的試驗顯示，所有藥物在動物實驗中得出的結果都是失敗，但利用器官晶片模型跑完，成功率提高到 87%，不過針對不同疾病、不同的器官晶片模型，個案間勢必存在差異。
雖器官晶片在特定器官的各項試驗上表現出優秀的潛力，但陳冠宇坦言，以現階段來說，仍無法完全替代動物實驗，因為動物實驗最大的優勢在於「生理循環」，很多實驗議題單看少數幾個器官，並不能看見所有問題，而這是專注於模擬特定器官功能結構的器官晶片無法滿足的需求。
管理單位認同器官晶片嗎？
但器官晶片作為動物替代實驗的新興技術，不可避免的涉及法規問題。若期待器官晶片作為精準醫療的拼圖、用於標靶藥物等治療方案的使用前檢測，勢必面臨醫材相關法規，若用於新藥開發的臨床前試驗，也需藥物管理單位點頭，才具有法規上的效力。
為此，去年底美國食品藥物管理局（FDA）正式通過法案、臨床前試驗不再強制要求進行動物實驗，允許採納替代技術方案，而器官晶片技術就是其中之一，美國知名藥廠賽諾菲也成為第一間受 FDA 核可、使用替代技術執行藥物開發臨床前試驗的藥廠。
台灣可以先做什麼？
目前食藥署尚未對相關法規進行放寬，因此器官晶片在臨床前的應用仍相當受限。陳冠宇指出，其實目前世界各國都還在等著 FDA 的下一步動作，但考量到動物權利與實驗成功率等因素，開放相關規範是全球的大趨勢，也相信台灣相關藥物臨床前試驗採納器官晶片是指日可待的事。
陳冠宇提到，目前團隊接受許多產、官、學、法人的輔導，希望能對晶片製程與品質制定標準，比如晶片穩定性定義、書面資料需求等，讓未來台灣想做器官晶片的研發者或團隊有指引可供依循，後續隨著 FDA 規範更新，也能無縫接軌相關政策。
此外，陳冠宇說，現在 FDA 已經有臨床前相關規範，等專家學者的意見整合完畢、提交給食藥署後，就有機會展開討論，且國科會 3R 中心、國家實驗動物中心都有在做相關動物替代方案，但器官晶片的研發再快也需要 3、5 年，法規也需要時間去接受，但明年、後年有機會越來越成熟。
器官晶片的未來藍圖
針對器官晶片產業未來的發展，陳冠宇說，目前可以從 3 個面向來看，首先是最直接的「法規問題」，再來是「如何說服使用動物實驗者改用器官晶片系統，並讓兩種實驗方式兼容存在」，最後是「怎麼降低使用門檻，讓更多使用者知道如何應用這些晶片」。
目前歐美器官晶片發展領先於台灣，但陳冠宇認為，台灣仍有機會應用自身在 ICT 和半導體的優勢反超先進國家，並在未來應用AI提供更大量的資訊，而他的團隊目前以「更高效解決藥廠與科研單位的問題」為核心議題，但不可否認的，器官晶片的願景還是會回歸到臨床用途，只是時間不會這麼快。
陳冠宇解釋，器官晶片的終極模式是可以走到臨床，讓更多人使用，假設能收集 100 個特定疾病的器官晶片、把這些數據留在器官晶片公司，未來藥廠有相關藥物開發需求，公司就能提供相應的正常與疾病晶片數量，並用於相關試驗，最終完成的藥品則回饋給病患，產生醫界、產業界互利的生態系。
不過，陳冠宇笑說，這樣的願景短期內仍無法達成，但為了達到這樣的目標，需要各個團隊多管齊下，讓各界從不同的角度看到器官晶片，以不同的佈局去展示這項技術應用的可能性，而臨床跟藥物從來都是雙向箭頭，相信器官晶片是「帶來動物生命改變、人類健康的變革的重要技術」。
文／林志怡 圖／孫沛群
諮詢專家：陽交大生醫工程研究所教授陳冠宇