本文发表于《大众科学》的前博客网络，仅反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
一个系统性的商业问题正在阻碍许多救命疗法的发展：药物发现投资回报率持续下降的恶性循环。自 1950 年以来，开发一种新药的成本每九年翻一番。1950 年，每 10 亿美元的研发支出大约可以开发 30 种药物。如今，同样的价钱我们只能得到大约三分之一的药物——或者换句话说，将一种新药推向市场的成本接近 30 亿美元。
这种研发速度放缓和成本上升的现象最近被命名为“Eroom定律”，之所以如此命名，是因为它与微电子领域的摩尔定律相反，摩尔定律指出计算能力大约每 18 个月翻一番，成本减半。对于药物发现遵循“Eroom定律”的原因，有很多解释，从谨慎的监管机构到不断增加的总体研发成本。但阻碍进展的最大领域之一是药物发现过程的临床前动物试验阶段的效率低下。在临床前试验成功后，只有十分之一进入人体临床试验的药物最终上市。
也可能出现相反的结果，即一种药物可能在人体试验中是成功的，但由于在临床前动物试验中失败，它永远无法进入人体试验。最近，渤健的阿尔茨海默病药物的失败戏剧性地证明了这种失败的最终后果，该药物开发多年，耗资数十亿美元，但在 III 期临床试验中失败。该公司在一天之内损失了180 亿美元，相当于其市场价值的 30%。
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造成这种失败的部分原因是，动物或简单培养皿中的细胞不能很好地预测药物在人体中的表现。技术的进步使新的测试模型成为可能，从组织的 3D 打印到复杂的、更广泛的研究，这些研究使用来自临床试验或其他来源的大量数据，根据数据显示的模式得出结论。然而，这两种方法都有缺点。首先，3D 打印使细胞经历打印过程，这可能会改变细胞的行为，并且由于细胞是一次打印一个，因此这种方法难以规模化。另一方面，数据研究不是实际的物理模型，需要大量的信息，而当涉及到实验性药物时，这些信息可能无法获得。
为了了解药物的真正疗效，至关重要的是测试不仅涉及生物学，还涉及生物学周围的流体和生物物理环境的相互作用。一种名为人体器官系统的物理模型使用人体组织样本来大规模地重现细胞在活着的、呼吸的生物体中发生的复杂相互作用。该系统不仅有可能显着提高临床阶段的成功率，而且还有可能减少或完全消除动物试验。
这项技术的工作原理是在具有微观结构、嵌入式传感器、泵和控制器的生物相容性塑料上制作人体组织样本。一系列细针管与芯片上的人体组织样本对齐，芯片顶部的泵将细胞浸泡在液体中，模拟体内细胞的自然环境。结果是在高度受控的环境中模拟 96 个独立的人体器官。此外，集成的传感器可以提供对细胞培养物的直接、终身监测，以查看变化是如何以及为何发生的，而不是目前仅查看终点的技术。
使用多种临床相关的组织功能测量方法有可能通过在临床试验甚至动物研究开始之前进行人体组织测试来加速药物发现。更重要的是，在人体组织而不是人体上进行测试，开辟了我们今天甚至无法想象的全新测试机会。这些可能是规模上的新可能性——例如测试数十万个复制的人体器官系统——或者在测试具有年龄、种族或性别多样性的人群亚群方面的新可能性，而这些人群亚群的活体测试要么太昂贵，要么在伦理上不可接受。例如，在孕妇或 18 个月大的儿童身上测试药物是不安全且不道德的。但是，我们可以测试来自孕妇或 18 个月大的人的组织而不会造成伤害，从而更准确地预测药物在这些人群中的安全性和有效性。
人体器官系统的测试能够收集更好和更多类型的数据，从而推进对长期以来难以找到有效治疗方法的疾病的研究。例如，慢性肾病是一个日益严重的健康负担，影响全球十分之一的人口。该疾病的进展可能导致肾功能衰竭，并需要通过透析来替代肾功能。但是，如果我们能够更多地了解肾功能衰竭的原因，从而开发出可以减缓或阻止这一过程的药物，那会怎么样呢？找到治疗肾病的药物将需要在广泛的人群中研究许多药物和环境条件。人体器官系统使我们能够做到这一点，从而有可能有一天像我们现在管理心脏病一样积极地管理肾病。
我们看到人体器官系统研究产生影响的另一个例子是其测量实时屏障形成以及跨屏障运输变化的能力。这对于治疗肠道疾病（如炎症性肠病）尤为重要。为这种痛苦的疾病开发有效的治疗方法需要更深入地了解血液和肠道之间的屏障是如何开始崩溃的，以及是否存在某些类型的细菌，例如，导致这种崩溃或使屏障发炎。人体器官系统为理解这种状况提供了一个以前不可能实现的窗口。
尽管这项技术仍处于早期阶段，但从商业角度来看，它也具有巨大的前景。如果该平台能够使临床试验的成功率提高 25%，那么每种获批药物的成本节省可能超过 5 亿美元。因此，包括辉瑞在内的多家制药公司正在使用人体器官系统，研究人员和初创公司正在研究一系列方法，这使得该领域在未来几年值得关注。
人体器官系统等创新是制药公司打破研发回报递减循环的一种根本方式。尽管“Eroom定律”——研发速度放缓和成本上升——不会在一夜之间被逆转，但我们不必忍受它。与微电子领域的摩尔定律不同，没有任何物理定律限制我们的进步。