体外仿生模型是什么?体外仿生模型行业进展
发布时间：
2026-08-10 15:12
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体外仿生模型概述
1.体外仿生模型的定义
体外仿生模型是生物医学工程领域的一项重要创新成果，它是一种能够模拟人体器官或组织功能的微缩模型。这种模型以人体器官或组织为蓝本，借助先进的生物材料、微流控技术等，在体外构建出与真实器官或组织在结构、功能和生理反应上高度相似的微型系统。
体外仿生模型的应用范围十分广泛，在药物研发领域，它可用于药物的初步筛选，帮助科研人员评估药物的有效性和安全性，提前淘汰掉无效或副作用大的药物候选物，从而降低药物研发成本，缩短研发周期。在毒理学研究方面，它能够模拟药物或有害化学物质对人体器官的潜在毒性，为安全性评估提供有力依据。在疾病研究领域，它可以帮助研究人员更深入地理解疾病的发病机制，为寻找新的治疗方法提供研究平台。
体外仿生模型的出现，是生物医学研究领域的一次重大突破，它为科学家们提供了一个更精准、高效的研究工具，对于推动医学进步、保障人类健康具有重要意义。
2.体外仿生模型的发展背景
体外仿生模型的出现并非偶然，而是源于传统药物研发方法的诸多局限性。长期以来，药物研发主要依赖于动物实验和临床试验。动物实验虽然能在一定程度上模拟人体的生理反应，但由于人与动物在基因、代谢等方面的差异，导致实验结果存在较大的不确定性，很多在动物身上有效的药物，在人体临床试验中却效果不佳或出现严重副作用。
临床试验虽然结果可靠，但成本高昂、周期漫长，且存在一定的伦理风险。随着科技的进步和对药物研发效率需求的提高，人们迫切需要一种更高效、精准的替代方法。
在此背景下，体外仿生模型应运而生。它结合了细胞生物学、工程学和材料学等多学科技术，能够在细胞、组织和器官水平上模拟人体的生理和病理状态。与传统方法相比，体外仿生模型具有更高的预测性，能够更准确地反映药物在人体内的作用效果和潜在风险，同时还能大幅降低研发成本，缩短研发周期，减少对动物实验的依赖，为药物研发等领域带来了革命性的变革。
体外仿生模型的类型
1.器官芯片
器官芯片是一种高度仿生的人体器官微缩模型，其结构通常包含微通道、微腔室等微流控结构，这些结构能够精确控制液体流动，模拟人体内的血液流动等生理过程。在材料上，会使用生物相容性良好的材料，如聚二甲基硅氧烷等，为细胞提供接近体内的生长环境。功能方面，器官芯片能够模拟器官的多种功能，如肝脏芯片可进行药物代谢，肺芯片可实现气体交换等。
在模拟人体器官方面，器官芯片应用广泛。在药物研发中，心脏芯片可用于评估药物对心脏功能的影响，通过观察心肌细胞的收缩情况等，判断药物的潜在心脏毒性。肾脏芯片则能模拟肾脏的滤过、重吸收等功能，用于评估药物对肾脏的毒性及药物在肾脏中的代谢情况。器官芯片还能用于构建疾病模型，如构建肿瘤器官芯片，研究肿瘤的生长、转移等机制，为抗肿瘤药物研发提供平台。
2.类器官
类器官的培养主要是在含有特定生长因子和营养物质的培养基中进行。首先需要从人体组织中获取干细胞或祖细胞，然后在三维培养环境下，通过调控生长因子的种类和浓度，引导细胞自我组装成具有特定结构和功能的类器官。
类器官具有诸多特点，它能保持来源组织的细胞异质性，表现出与真实器官相似的组织结构，如肠道类器官具有隐窝和绒毛结构。类器官还能维持组织的特异性功能，如肝脏类器官具有代谢功能。在疾病研究中，类器官的作用不容小觑。利用患者的肿瘤组织培养出的肿瘤类器官，可高度模拟患者体内肿瘤的生物学特性，为研究肿瘤的发生机制、药物敏感性等提供理想模型。通过对肿瘤类器官的研究，医生可以为患者制定个性化的治疗方案，提高治疗效果。
3.微生理系统
微生理系统一般由微流控芯片、生物材料、培养的细胞等组成。微流控芯片负责构建微环境，生物材料为细胞提供生长基质，培养的细胞则是构建系统的基础。微生理系统具有明显优势，它能模拟体内的动态微环境，如流体剪切力、物质运输等，使细胞处于更接近体内的生理状态。与传统动物模型相比，微生理系统具有更高的预测性，能更准确地反映药物在人体内的作用效果。
在药物筛选方面，微生理系统应用广泛。例如在神经药物筛选中，可通过构建包含神经元和胶质细胞的微生理系统，观察药物对神经元功能的影响，评估药物的神经保护或神经毒性作用。在心血管药物研发中，构建的微生理系统能模拟心脏或血管的生理环境，用于评估药物对心脏功能或血管的影响，帮助科研人员更高效地筛选出具有潜在疗效的药物，为药物研发提供有力支持。
体外仿生模型的技术原理
1.细胞培养技术
细胞培养技术在体外仿生模型构建中占据着举足轻重的地位，它是构建模型的基础与核心。通过细胞培养技术，科研人员能够在体外获取大量具有特定功能的细胞，为构建器官芯片、类器官等体外仿生模型提供原材料。
在体外仿生模型的构建中，细胞培养技术首先需要选择合适的细胞类型和培养基。不同来源的细胞具有不同的生物学特性，如干细胞具有多向分化潜能，可用于构建类器官；而成熟细胞则能更好地模拟特定器官或组织的功能。培养基的选择也至关重要，它需要提供细胞生长所需的营养物质、生长因子等，以维持细胞的正常生长和代谢。
细胞培养技术还可实现对细胞的扩增、传代和保存，使体外仿生模型的构建具有可持续性和可重复性。在构建过程中，通过调控细胞培养条件，如温度、pH值、氧气浓度等，可引导细胞形成特定的结构和功能，进而构建出与真实器官或组织高度相似的体外仿生模型，为药物研发、疾病研究等提供有力支持。
2.微流控技术
微流控技术是一种极具特色的技术，它在体外仿生模型中的应用极为广泛且关键。该技术以微米尺度的微通道为操作平台，能够精确控制和操纵微小流体，具有高度集成化、自动化、高效能以及低样本消耗等明显优点。
在体外仿生模型中，微流控技术可构建出复杂的微流控芯片，这些芯片内部包含微通道、微腔室等结构，能够模拟人体内的动态微环境，如流体剪切力、物质运输等。通过精确控制流体的流速、流向和流量，微流控技术可为细胞提供与体内相似的生长环境，使细胞处于更接近生理的状态，从而提高体外仿生模型的预测性和准确性。
以器官芯片为例，微流控技术可模拟人体器官内的血液流动、物质交换等生理过程，使器官芯片在结构和功能上更接近真实器官。在药物筛选和疾病研究中，利用微流控技术构建的体外仿生模型能够更准确地评估药物的作用效果和潜在毒性，为药物研发和疾病治疗提供更可靠的依据，推动生物医学研究向更高效、精准的方向发展。
3.生物材料技术
生物材料技术在体外仿生模型构建中发挥着不可替代的作用，是构建具有生物相容性和功能性的体外仿生模型的关键。
生物材料技术为体外仿生模型提供了理想的构建材料，这些材料需要具有良好的生物相容性，不会对细胞产生毒性或不良反应，能够为细胞提供接近体内的生长环境。生物材料还需具备一定的机械强度和可加工性，以满足构建复杂结构的需要。
在体外仿生模型的构建中，生物材料的选择至关重要。常用的生物材料包括天然生物材料，如胶原蛋白、透明质酸等，它们具有天然的生物学活性，能促进细胞的粘附、生长和分化。合成生物材料，如聚乳酸、聚己内酯等，也因其良好的生物相容性和可调控性而被广泛应用。通过生物材料技术，科研人员可以根据不同的需求，选择合适的生物材料，构建出具有特定结构和功能的体外仿生模型，使其在药物研发、疾病研究等领域发挥更大的作用。
体外仿生模型的应用领域
1.药物研发
在药物研发领域，体外仿生模型发挥着不可替代的作用。在药物筛选环节，器官芯片、类器官等模型能够模拟人体器官的功能和生理反应。科研人员可将药物作用于这些模型，观察药物对细胞、组织的影响，快速筛选出具有潜在疗效的药物，淘汰掉无效或副作用大的候选药物，大幅提高药物筛选的效率，降低药物研发成本。
药效评价方面，体外仿生模型可提供更精准的数据。通过构建与疾病相关的体外模型，研究人员能在细胞、组织水平上评估药物的作用机制、药效强度等。比如在抗肿瘤药物研发中，利用肿瘤类器官可评估药物对肿瘤细胞的杀伤效果，为药物进入临床试验提供有力依据。体外仿生模型还能模拟药物的代谢过程，帮助科研人员预测药物在人体内的代谢速率、代谢产物等，为药物的剂量设计、给药方案等提供重要参考，推动药物研发向更高效、精准的方向发展。
2.疾病研究
体外仿生模型在疾病研究领域具有极高的价值。在疾病机制研究方面，通过构建特定疾病的体外模型，科研人员能在微观层面观察疾病的发生、发展过程，深入了解疾病的发病机制。例如构建阿尔茨海默病相关的类器官，研究人员可观察神经元细胞的退化、β淀粉样蛋白沉积等现象，探究疾病发生的分子机制和细胞机制，为寻找新的治疗方法提供理论依据。
在药物靶点发现上，体外仿生模型同样作用明显。利用基因编辑技术，科研人员可在体外模型中特异性地改变基因，观察基因变化对细胞、组织功能的影响，从而发现潜在的药物靶点。以癌症研究为例，通过构建携带特定基因突变的肿瘤类器官，研究人员可筛选出针对这些基因突变的药物靶点，为开发靶向治疗药物提供关键线索。体外仿生模型还能帮助研究人员评估药物对疾病模型的作用效果，为药物的研发提供有力支持，加速疾病治疗的进展。
3.毒理学研究
体外仿生模型在毒理学研究中应用广泛。在化学品毒性评估方面，科研人员可将化学品作用于器官芯片、类器官等体外模型，观察化学品对细胞、组织的影响，评估化学品的潜在毒性。例如在评估某种工业化学品的毒性时，利用肝脏芯片模型可观察化学品对肝细胞的影响，判断其是否会对肝脏造成损伤，为化学品的安全生产和使用提供科学依据。
在药物毒性评估领域，体外仿生模型同样不可或缺。药物在进入临床试验前，需经过严格的毒性评估。通过构建与人体器官相似的体外模型，研究人员可在体外模拟药物对人体的潜在毒性，评估药物的毒性作用机制、毒性剂量等，为药物的临床试验提供安全性保障，降低临床试验的风险。体外仿生模型还能评估药物之间的相互作用，为药物的联合使用提供指导，推动药物研发向更安全、有效的方向发展。
4.再生医学
在再生医学领域，体外仿生模型具有广阔的应用前景。在组织工程方面，利用体外仿生模型可构建出具有特定结构和功能的组织。例如通过构建皮肤类器官，结合生物材料技术，可制备出用于皮肤移植的皮肤组织，为烧伤、创伤患者提供新的治疗手段。体外仿生模型还能用于构建血管、神经等复杂组织，为组织修复和重建提供新的解决方案。
在器官再生领域，体外仿生模型的作用更为关键。虽然目前完全再生人体器官仍面临诸多挑战，但通过构建器官芯片、类器官等模型，科研人员可在体外模拟器官的再生过程，研究器官再生的机制和条件，为器官再生提供理论基础和技术支持。随着生物材料技术、干细胞技术等的发展，未来有望利用体外仿生模型实现人体器官的再生，为器官移植提供充足的供体来源，解决器官移植供体短缺的问题，为人类健康带来革命性的改变。
体外仿生模型行业进展
1.全球体外仿生模型行业发展现状
全球体外仿生模型行业正处于快速发展阶段，市场规模持续扩大。2022年全球体外仿生模型市场规模约为5.16亿美元，预计到2028年将达到21.3亿美元，年均复合增长率高达26.4%。北美是体外仿生模型市场，占据约45%的市场份额，欧洲紧随其后，占约30%。
在技术发展上，器官芯片技术不断突破，微流控技术更加精准，生物材料种类日益丰富。类器官培养技术也取得了长足进步，能够培养出更多种类的类器官，且其功能和稳定性不断提高，为疾病研究和药物研发提供了更可靠的基础。
2.中国体外仿生模型行业发展现状
中国体外仿生模型行业起步相对较晚，但近年来发展迅速。政策方面，国家高度重视生物医学工程领域的发展，出台了一系列政策支持体外仿生模型等相关技术的研发和产业化。
在市场方面，随着国内生物医药产业的快速发展，对体外仿生模型的需求不断增长。越来越多的科研机构和企业开始投入体外仿生模型的研究与应用，市场规模持续扩大。
不过，中国体外仿生模型行业也面临着一些挑战。在技术方面，与国际先进水平仍存在一定差距，部分高端技术和设备依赖进口。在人才方面，高端研发人才相对匮乏，制约了行业的创新发展。但随着国家政策的持续支持和行业自身的努力，这些问题有望逐步得到解决。
3.体外仿生模型行业面临的挑战
体外仿生模型行业在发展过程中面临着诸多挑战。在技术层面，尽管体外仿生模型在模拟人体器官结构和功能上取得了很大进步，但目前仍难以完全模拟人体器官的复杂性和动态性。例如，在模拟器官间的相互作用、神经系统对器官的调控等方面还存在较大难度。
成本方面，体外仿生模型的研发和生产成本较高。高精度的微流控芯片、特殊的生物材料以及复杂的培养和检测设备等都使得体外仿生模型的构建和运行成本居高不下，这在一定程度上限制了其在一些领域的广泛应用。
从市场角度看，体外仿生模型的应用推广也面临挑战。虽然体外仿生模型在药物研发等领域具有巨大潜力，但其结果的准确性和可靠性还需要更多的临床数据来验证。部分企业和科研机构对体外仿生模型的认识不足，也影响了其市场推广和应用。
艾玮得在体外仿生模型行业的贡献
1.艾玮得的产品与技术
艾玮得生物的核心技术围绕器官芯片展开，这是一种以微流控芯片技术为核心的体外仿生模型。其产品体系覆盖了从上游的芯片设计、中游的智能设备到下游的配套试剂与服务，形成了完整的产业链布局。
在芯片产品方面，艾玮得推出了多系列的标准器官芯片，包括单腔/双腔膜式芯片、高通量膜式屏障芯片、高通量无膜屏障芯片以及高通量共培养芯片。这些芯片的设计旨在模拟人体不同器官的生理微环境，例如，膜式芯片通过多孔薄膜分隔上下腔室，可构建组织屏障界面，应用于肺、肠、皮肤等屏障模型；而无膜屏障芯片则利用三通道结构，通过固体边缘效应实现细胞间物质与信号的无障碍交互，适用于血管、肾小管等管状组织模型。此外，艾玮得还提供太空血管芯片等特殊型号及全链条的器官芯片定制服务，涵盖从设计、测试到生产加工的完整流程，交付周期约2-4周。
在设备与配套试剂方面，艾玮得开发了器官芯片智能分析系统、摇摆灌注仪、微型培养盒等自动化设备，以及多种生物模型与试剂，如人源肿瘤类器官培养试剂盒、心脏模型培养试剂盒、皮肤模型培养试剂盒等。其中，器官芯片智能分析系统具备AI智能识别功能，可对器官芯片及类器官进行自动化的成像分析与数据处理，支持多癌种的药敏检测流程。其AI图像分析软件通过深度学习算法，可对类器官的明场图像进行精准分割与分析，实现对肿瘤异质性、药物反应等参数的无创、高效评估。
在技术层面，艾玮得的技术优势体现在多个维度。其器官芯片模型能够模拟人体器官的血管屏障、免疫微环境、生理功能及疾病变异，解决传统2D细胞模型与动物实验存在的种属差异问题。具体而言，其构建的心脏模型可满足收缩、钙瞬变、电生理等测试，且连续跳动时间可达150天；肝脏模型则包含肝实质细胞、内皮细胞、星状细胞及免疫细胞，具备重要的代谢酶活性。这些技术与产品共同构成了艾玮得在体外仿生模型领域的技术基础，其成果已应用于药物研发、精准医疗、美妆评价及航天医学等多个方向。
2.艾玮得的市场表现
艾玮得生物的市场表现可从其技术验证广度、服务覆盖规模及资本市场认可度三个维度进行考量。在技术验证层面，其器官芯片相关技术已在超过100家药厂、医院及药物研发机构得到验证应用。这表明其产品与服务已进入实际科研与产业场景，而非仅停留在实验室阶段。其服务对象覆盖药企、医院、高校、CRO公司、美妆研发机构等，形成了较为广泛的市场触达。
资本市场方面，艾玮得在2022年7月完成近亿元人民币的pre-A轮融资，由复健资本领投；2023年12月又完成数千万元Pre-A+轮融资，由同方投资领投。连续两轮融资的完成，反映了资本对其技术路线与商业潜力的认可。此外，艾玮得在2024年被评为“江苏潜在独角兽企业”，这一称号通常用于衡量具备高成长性的创新企业，也侧面印证了其市场价值。
在资质与奖项方面，艾玮得获得了国家高新技术企业、第二十四届中国专利优秀奖等多项荣誉。其技术成果也入选了“中国生命科学十大进展”、“太空人体研究七大进展”及“十四五”轻工业先进科技创新成果等。这些来自政府、行业及学术界的认可，构成了其市场信誉与技术实力的有力背书。在商业化应用方面，艾玮得的心脏器官芯片数据曾支撑恒瑞医药创新药HRS-1893片获批IND（国内首例使用心脏器官芯片数据的新药申请），并助力该药物完成近80亿元的海外授权，这一案例是器官芯片技术从实验室走向产业应用、实现商业价值的重要体现，展示了其技术在药物研发决策中的实际影响力。
3.艾玮得的合作与研发
艾玮得的合作与研发活动呈现出多维度、跨领域的特征，覆盖了从基础科研到产业应用、从国家战略需求到国际前沿探索的多个层面。
在研发层面，艾玮得由东南大学人体器官芯片科研团队孵化，其首席科学家顾忠泽教授在中国率先开展人体器官芯片研究，团队具有深厚的学术背景。研发成果方面，艾玮得参与了我国首个器官芯片国家标准《皮肤芯片通用技术要求》（GB/T 44831-2024）的制定，这是国内首个器官芯片领域的国家标准。此外，其参与的《肝器官芯片通用技术要求》也已处于国家标准计划阶段。这些标准制定工作为行业规范化发展提供了参考。在创新技术方面，艾玮得与华为云合作，发布了国内首个“人体器官芯片医药大模型”，该模型融合了器官芯片的多模态数据与盘古药物分子大模型的人工智能技术，旨在提升药物反应评估的准确性与效率。
在合作方面，艾玮得的合作对象多样且深入。在国家重大战略层面，艾玮得作为国家航天员中心在器官芯片领域的重要供应商，其研发的太空血管芯片于2022年随神舟十五号发射升空，完成了国际上首次血管组织芯片在长期微重力条件下的培养实验，该成果入选“太空人体研究七大进展”。在公共卫生领域，艾玮得曾与江苏省疾病预防控制中心合作，在其P3实验室内，采用器官芯片全自动化智能设备对5万余份新冠疫苗中和抗体进行高效测评，这是国内首次在该领域应用该项技术。
在产业合作方面，艾玮得与多家企业建立了不同形式的合作关系。例如，与以岭药业合作，共建基于类器官和器官芯片的中药临床前体外评价平台，旨在解决中药研发中“体内外相关性差、动物实验受限”等痛点。与中国医学科学院整形外科医院合作，共建皮肤芯片模型自动构建及AI智能分析平台，服务于整形外科、皮肤衰老及瘢痕修复等领域。合作项目覆盖了中药现代化、医美技术创新、临床精准医疗等多个前沿方向，体现了其技术平台在不同应用场景中的可拓展性。
艾玮得,体外仿生模型
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