新华网北京7月30日电（曹素妨 向思敏）在芯片上模拟人体，在岛屿上观察海洋。在东南大学数字医学工程全国重点实验室主任、器官芯片研究院院长顾忠泽教授看来，无论是由数百万个细胞构成的微型生理系统，还是多种生命与环境因素相互作用的岛屿生态，科学家面对的其实是如何借助一个可操作、可观测的“微缩模型”，理解并预测难以直接掌控的超级复杂系统。
2026年7月，第六期“新物种”岛屿科考研修营在浙江舟山东极岛举行。来自不同领域的科学家、创作者与研究者汇聚海岛，在潮汐与海风之间展开跨学科的实地观察与思想交流。顾忠泽教授受邀参与。长期在微观尺度上“建造器官芯片”的他，此次置身于海洋与岛屿构成的宏观生态现场。
图为东南大学数字医学工程全国重点实验室主任、器官芯片研究院院长顾忠泽
顾忠泽从“微观”与“宏观”的类比出发，解析了器官芯片与自然生态系统在研究方法上的相通之处，探讨了前沿科技的传播与人才培养路径、AI与器官芯片对药物研发的重塑，以及海洋“蓝色药库”的开发前景。他还谈到，自己正在萌生一个新的跨界设想：创作一部以“AI+器官芯片”为主题的科幻电影。
“小芯片，大世界”：在微缩模型中理解复杂系统
人体由数十万亿个细胞构成，是一个极其复杂的生命系统。顾忠泽说，器官芯片所做的事情，是通过工程学、仿生学和微流控技术，在指甲盖或巴掌大小的芯片上，利用约千万量级的细胞构建具有关键生理功能的微型系统。“它并不追求复制完整人体，而是抓住某一器官或生理过程的核心结构、微环境和相互作用，以局部模型研究整体响应。”
有意思的是，这种研究逻辑与海岛生态考察非常相似。顾忠泽表示，在东极岛科考中，研究者也可以把岛屿视为一个“微型地球”或“自然芯片”，通过现场采样、长期监测与空天遥感等手段，观察渔村生产生活、潮间带生境和近海生物多样性之间的耦合关系，进而理解更大尺度的海洋生态变化。
“无论是芯片上的细胞群体，还是岛屿上的生态群落，其底层认知范式都是相通的，通过构建一个可控、可观、可验证的‘微缩模型’，推演超级复杂系统的整体行为。”
在顾忠泽看来，这种相通性主要体现在三个方面。首先是系统性思维。“我们的器官芯片研究深受整体观念启发，关注的不是某一个孤立的细胞，而是细胞与细胞、组织与组织、器官与器官之间的相互作用。这与生态学将岛屿视为一个完整系统、研究不同物种及其环境关系的思路天然契合。”
其次是数据驱动的模型迭代。“目前，我们正在将人工智能深度融入器官芯片数据库，用实验数据不断训练和修正预测模型。东极岛科考同样需要积累长期观测数据，并借助人工智能还原生态系统的演化过程。两者的核心，都是让模型在数据反馈中不断接近真实世界。”
最后是从“可观测”走向“可干预”。“器官芯片希望打破新药研发中‘盲人摸象’的局限；海岛研究则希望为生态保护、海洋资源管理和区域发展提供依据。二者的最终目标，都不仅是描述系统，更是预测系统，并在科学证据的基础上实施精准干预。”
前沿科技如何被理解：科普、传播与专业教育的“三级火箭”
对于青少年而言，器官芯片既前沿，又具有一定的理解门槛。顾忠泽对此表示，“前沿科技的传播不能依靠一次讲座或一篇文章完成，而需要进行系统化设计。”
围绕器官芯片与数字医学，顾忠泽团队逐步建立了“科普教育—科学传播—专业教育”三位一体的培养体系。他把这比作一枚面向青少年的“三级火箭”。
第一级是科普教育，负责播种。“我们采取‘新媒体与权威媒体并行’的传播方式。一方面，通过‘人体器官芯片’等微信公众号开展日常互动科普；另一方面，借助央视、新华社等主流媒体进行更具公共影响力的权威解读。”团队还举办“数字医学工程线上研学营”，吸引全国中学的学生参与。“学生不只是听课，还要亲自设计并完成微型研究课题，从被动接受知识转向主动提出问题、验证假设。这种亲身参与对于激发科学兴趣非常重要。”
第二级是科学传播，负责浇灌。“我们依托微生理系统国际研讨会、‘吴健雄实验室大讲堂’等平台，将前沿研究与社会关注的问题连接起来。同时，我们也尝试把发表于学术期刊的研究成果，转化为公众能够理解的语言和叙事方式，缩短‘学术圈’与‘公众圈’之间的距离。”
第三级是专业教育，负责成长与收获。东南大学已经开设“器官芯片与数智医学”微专业。在研究生培养阶段，团队依托国家卓越工程师学院，与中检院、华润等单位开展项目制、工学交替式培养，“让学生在真实的临床需求和产业场景中解决问题”。
“从兴趣启蒙，到科学认知，再到专业训练，这是一个完整的人才培养闭环。”顾忠泽说，“前沿科技传播的目的，不仅是让公众知道‘器官芯片是什么’，更重要的是让年轻人看到，他们未来可以如何参与其中、改变医学。”
“迷你人体”与AI虚拟细胞：真实科技正在逼近科幻想象
在顾忠泽看来，实验室里已经落地的许多技术，其想象力并不亚于科幻小说。他特别介绍了两个方向：一是芯片上的“迷你人体”，二是计算机中的“AI虚拟细胞”。
器官芯片利用微流控技术，在微观空间内持续输送营养物质，并模拟血液流动、机械拉伸、组织屏障等人体内的生理条件，使细胞在芯片中形成具有部分器官功能的微型组织。
目前，高通量器官芯片智能自主实验平台已经进入实用阶段，“实现了机械臂、自动化培养系统与人工智能算法的协同，可以连续完成样本处理、培养、给药、成像和数据分析”。在临床应用中，“医生可以获取患者少量肿瘤组织，在较短时间内培养出患者来源的‘微缩肿瘤’，并测试其对多种药物组合的反应，为个体化用药提供参考”。
一个具有标志性意义的案例发生在2024年。顾忠泽团队使用人体心脏器官芯片，在8个多月内成功筛选了数百种化合物，筛选出的药物HRS-1893获国家药监局批准进入临床研究。这成为国内具有代表性的器官芯片数据支持药物临床申报案例。“这说明，器官芯片正在从实验室研究工具，逐步进入真实的药物研发与监管评价流程。”
在深空探索领域，器官芯片同样具有独特价值。顾忠泽团队研发的人工血管芯片和脑类器官芯片，已先后搭载神舟十五号等进入中国空间站，用于研究微重力环境对人体组织的影响。“国际上，研究人员也在尝试利用宇航员来源的细胞构建组织芯片，让这些‘芯片替身’代替人体率先接受极端环境测试。”
“从这个意义上说，未来的宇航员或许不仅携带设备进入太空，还会携带一个由自身细胞构成的‘生物分身’。”
如果说器官芯片是在物理世界中构建的微型生命模型，那么AI虚拟细胞就是存在于计算空间中的“数字生命模型”。2024年，顾忠泽团队提出共建“AI虚拟细胞”的倡议，希望利用多组学数据、细胞成像、空间信息和人工智能模型，在计算机中模拟细胞与组织对药物、疾病和环境刺激的反应。
“这意味着，未来数万种化合物对病变组织的影响，可能首先在计算机中完成高通量预测，再由实体器官芯片进行实验验证。虚拟模型负责快速筛选，真实芯片负责检验和修正，两者共同形成一个不断迭代的闭环。”
顾忠泽表示，“当AI虚拟细胞与实体器官芯片真正打通后，每个人都可能拥有一个持续更新的‘数字孪生体’。药物在进入人体之前，可以先在虚拟模型和芯片模型中进行毒性与疗效测试，医生也可以根据患者不断变化的生理数据调整治疗方案。”
目前，团队与合作平台构建的肝芯片模型，“对部分药物性肝损伤的预测准确率已经稳定超过90%”。“这些进展表明，数字孪生并不是遥远的想象，而正在一步步成为可以验证、可以应用的技术体系。”
跨界现场带来的灵感：我想拍一部“AI+器官芯片”的科幻电影
在此次东极岛的跨界行走与交流中，顾忠泽产生了一个非常强烈的念头，“我想拍一部关于‘AI+器官芯片’的科幻电影。”
这个想法主要来自两个方面的触动。首先，器官芯片与AI虚拟细胞本身就具有很强的视觉冲击力和叙事张力。“芯片上不断跳动的微型心脏、计算机中运行的虚拟临床试验、由宇航员自身细胞构建的‘芯片替身’……这些并不是虚构的概念，而是真实发生在实验室里的科学进展。它们本身就是极具潜力的电影素材。”
其次，这次跨界交流让他更加深刻地意识到科学传播的形式至关重要。“学术论文和专业会议能够准确传递知识，但覆盖的人群始终有限。一部优秀的科幻电影，却可能让大众在两个小时内直观感受到前沿科技将如何改变医疗、社会乃至人的自我认知。”
他希望这部作品不只是呈现视觉奇观，还能够承载情感、哲学和伦理层面的思考。“如果每个人从出生起就拥有一个与自身同步生长的‘芯片替身’，医学将发生怎样的变化？如果人工智能可以提前预测一个人未来的健康轨迹，人类应该如何理解疾病、选择与命运？如果虚拟分身可以替人试药，它究竟只是一种工具，还是某种意义上的生命延伸？”
“科学家不应局限在实验室里，也需要进入社会与创作现场，把前沿科学中的问题转化为公众能够感受、讨论和回应的故事。”
“向海问药”的未来之问：AI与器官芯片如何重塑“蓝色药库”
在东极岛科考期间，顾忠泽思考的另一个命题是海洋，这座潜力巨大的“蓝色药库”。
海洋孕育了地球上极为丰富的生物资源。独特的盐度、压力、温度、光照和竞争环境，使许多海洋生物演化出了结构特殊、活性显著的天然化合物。但传统的“向海问药”仍然面临很多困难，“海洋天然产物往往含量低、提取难，活性成分的筛选效率有限，后续还要经过毒性评价、药效验证和临床开发，整个过程周期漫长、成功率不高。”
与此同时，沿海地区的工业污染、农业面源污染以及生活排放，也可能改变海洋生物的生存环境和代谢系统。我们在开发海洋资源的同时，必须考虑如何避免对生态系统造成新的压力。要有新的手段进行评估和预判。
如今，器官芯片+AI4Biomed 正在形成一种以真实人源数据为基础的新型研究范式：器官芯片持续产生标准化、动态和可干预的生物医学数据，人工智能据此开展状态识别、规律发现、实验设计和模型优化，并通过自动化湿实验进行验证，形成“人源数据生产—多模态测量—模型训练—自主实验—器官芯片与药物反向优化”的数据飞轮。
首先是AI辅助筛选与设计。人工智能可以从海量天然产物、基因组和肽段数据中识别潜在活性分子，预测其结构、靶点和生物效应，大幅缩小实验筛选范围。研究人员还可以把人工智能与合成生物学结合，设计新的海洋活性肽或优化其生产路径，再通过酵母等细胞工厂进行规模化合成，从而减少对野生海洋生物资源的直接采集。
其次是器官芯片上的精准评价。传统动物实验与人体真实反应之间存在物种差异，部分毒性预测的准确性有限。器官芯片能够利用人源细胞，在更接近人体生理环境的条件下观察药物和毒素的作用。这意味着，未来一种从海洋生物中发现的新化合物，可以先由AI完成结构筛选和活性预测，再进入肝脏、心脏、血管等器官芯片进行药效和毒性测试，最后由模型综合评估其开发价值。过去需要多年完成的筛选过程，有可能被显著压缩。
在制度与产业层面，随着《公海生物多样性协定》，即BBNJ协定相关制度的推进，以及我国海洋生物医药产业支持政策的不断完善，海洋资源开发正同时面临规范化与产业化的新机遇。
顾忠泽的“未来之问”是：“当AI与器官芯片显著提升‘向海问药’的效率之后，我们能否在充分保护海洋生物多样性的前提下，实现海洋药物资源的可持续开发？”
“这不仅是一道技术问题，也是一道关于全球治理、利益共享和生态伦理的问题。科学可以帮助人类更高效地理解和利用海洋，但科学的价值，最终还取决于我们以怎样的方式使用这些能力。”
“真实的问题，无论是微观尺度上的细胞病变，还是宏观尺度上的岛屿生态演化，都需要我们跨越学科边界，在系统层面寻找答案。从芯片上跳动的心脏，到东极岛潮间带的生物群落，我们其实一直在使用同一种科学语言，探索生命与复杂系统的演化规律。”这是顾忠泽此次东极岛科考后的深入思考。
