器官芯片为什么正在进入药物研发？从英国NAMs战略、FDA肝脏MPS评价到人体相关PK模型

摘要：动物模型长期用于药效、安全性和药代动力学研究，但由于物种差异，其结果与人体临床表现之间可能存在偏差。随着New Approach Methodologies（NAMs）的发展，器官芯片（Organ-on-Chip）、微生理系统（MPS）、类器官以及AI辅助预测模型正在成为人体相关药物研发的重要技术方向。本文结合英国减少科研动物使用相关战略、FDA CDER与3Rs Collaborative开展的跨平台肝脏MPS评价，以及CN Bio获得Innovate UK支持开展人体相关药代动力学研究等案例，梳理器官芯片在药物性肝损伤、PK研究、安全性评价和监管框架中的应用逻辑，并进一步分析人体相关模型从“模拟人体生理”走向“提供稳定、可重复、可用于研发决策的数据”所面临的关键问题。

关键词：器官芯片、Organ-on-Chip、微生理系统、MPS、NAMs、CN Bio、PhysioMimix、药代动力学、药物性肝损伤、药物研发、替代动物实验

一、为什么药物研发正在寻找比传统动物模型更接近人体的新方法

过去几十年中，动物模型一直是药物发现和临床前开发的重要工具，从早期药效验证、安全性评价，到药代动力学（Pharmacokinetics，PK）研究，都需要借助完整生物系统观察候选化合物在复杂环境中的行为。动物实验能够提供单纯二维细胞培养难以获得的组织间相互作用、循环、代谢和系统性反应信息，因此长期以来在药物研发流程中占据重要位置。

但随着药物研发对预测准确性和临床转化效率提出更高要求，一个长期存在的问题也越来越受到关注，即动物模型得到的结果是否能够充分预测人体真实反应。不同物种之间在代谢酶表达、免疫系统、器官结构、生理参数和药物敏感性方面存在差异，因此，一些动物实验中观察到的结果并不一定能够直接对应人体表现。

在这种背景下，New Approach Methodologies，也就是NAMs，开始成为药物研发领域持续发展的技术方向。NAMs并不是某一种单独技术，而是涵盖多种能够改善人体相关性和研究效率的方法，包括器官芯片、微生理系统、类器官以及AI辅助预测模型等。

其中，器官芯片和MPS的基本思路，是在体外通过细胞、生物材料、微流控和动态培养环境重建部分人体组织或器官的关键结构和功能。相比传统二维培养，这类模型可以进一步模拟细胞间相互作用、流体剪切、组织屏障以及多细胞共培养等环境，从而获得更接近人体生理状态的研究数据。

器官芯片与2D、3D类器官、动物模型的对比

图1：器官芯片与2D、3D类器官、动物模型的对比

因此，器官芯片的发展并不能简单理解为“完全替换原有实验体系”，更准确地说，它正在补充传统二维培养和动物模型之间的研究空白，为部分安全性、代谢和药效问题提供新的人体相关证据。

二、英国为什么持续推动NAMs和人体相关研究模型的发展

原始资料显示，英国近年来正在持续推动减少科研动物使用，并增加对NAMs、人源组织模型、类器官和其他人体相关技术的投入。2025年11月，英国政府发布减少科研动物使用的新战略，提出在已经具有可靠替代方法的领域，加快非动物研究方法的实际应用。

2026年8月12日，英国政府进一步宣布投入2200万英镑，以推动相关科学技术发展。其中，2000万英镑用于建设新的研究中心，利用人体组织建立微型器官等研究模型，另外还包括对多个具体项目的资金支持。原始资料提到，这些研究方向包括体外培养的心脏细胞模型、实验室构建的人耳模型，以及利用人工智能预测药物在体内运动和分布的研究。

英国推动减少动物实验相关计划

图2：随着英国逐步减少动物实验，人体相关模型与新技术研究获得进一步支持

该战略的重点并不仅是减少某一种实验方式，而是在能够获得足够科学证据的情况下，逐步建立更加适合人体药物研发的新型方法。原始资料还提到，英国希望到2030年前，在科学条件允许的部分药代动力学和心血管安全研究中进一步减少犬和非人灵长类动物的使用。

从药物研发方法学角度理解，这一变化实际上体现了预测逻辑的调整。传统模式更多依赖“通过动物结果推测人体表现”，而NAMs的发展则希望进一步建立能够直接利用人源细胞、组织和相关模型预测人体反应的方法。

这种变化也意味着，器官芯片未来是否能够被更广泛应用，不仅取决于模型是否在形态上类似人体器官，还取决于模型是否能够提供稳定、可重复并与临床问题相关的数据。

三、为什么FDA CDER参与的肝脏MPS跨平台评价值得关注

在NAMs逐步进入药物研发流程的过程中，一个非常关键的问题是，不同技术平台之间是否能够建立统一的评价框架。器官芯片和MPS平台的结构、细胞来源、培养模式和检测终点可能存在明显差异，如果每一种系统都使用完全不同的评价方法，那么监管机构和药物研发团队就很难判断不同平台产生的数据是否具有可比较性。

原始资料介绍了3Rs Collaborative与FDA CDER及MPS生态系统合作伙伴开展的一项跨平台肝脏微生理系统评价工作。该项目围绕药物性肝损伤，也就是Drug-Induced Liver Injury（DILI），建立了一套跨平台评价设计，并将使用背景限定在一个相对明确的问题上，即对早期临床试验中观察到的肝酶升高进行回顾性解释。

3RsC与FDA CDER跨平台肝脏MPS评价项目

图3：3RsC与FDA CDER合作开展的跨平台药物性肝损伤微生理系统评价项目

原始资料指出，该工作涉及八种商业化肝脏MPS，其中包括CN Bio、InSphero等平台。公开资料对不同系统的细胞类型、配置方式、规格、供体数量、每个芯片中的细胞数量、暴露体积、培养时间、代谢能力、肝细胞相关生物标志物、胆小管与转运功能，以及已发表的肝毒性预测数据进行了整理。

这类资料的价值并不只是罗列不同平台参数，而是为研究人员提供一个理解肝脏MPS设计差异的参考框架。例如，不同系统可能使用不同细胞来源和流体环境，因此能够测量的终点和适合回答的问题也可能不同。

原文特别指出，这项工作属于设计和流程方面的出版物，并未在该文中报告最终DILI预测结果，相关结果将另行发表，同时该研究也明确说明不能据此对不同商业平台进行简单直接排名。因此，更合理的理解是：这项工作是在建立一个类别级的评价框架，而不是进行产品性能竞赛。

四、为什么跨平台MPS研究首先需要明确监管使用场景

如果只是笼统地询问“器官芯片能不能预测人体”，这个问题本身就很难被科学验证。不同器官芯片模型能够回答的问题并不相同，肝脏MPS可能用于研究药物代谢和肝损伤，而肠道、肺、肾或心脏模型则可能对应完全不同的研发问题。

因此，FDA CDER与3Rs Collaborative相关项目的重要特点之一，是先定义具体的监管使用背景，再围绕这一问题评价模型。这种思路可以避免将一种MPS无限扩大为“可以预测所有人体反应”的通用工具。

以DILI为例，研究可以进一步明确需要哪些生化指标、功能指标和分子读数，并评估这些数据是否能够对应特定临床问题。只有当模型输入、实验过程、终点指标和最终决策场景都明确之后，才有可能判断一种技术是否具有足够的预测能力和重复性。

从监管角度看，这也说明未来器官芯片进入药物研发的关键，不只是证明“模型看起来像人体组织”，而是证明模型可以在明确的研究问题下持续产生稳定的数据，并能够支持研发判断。原始资料对这一点进行了概括：未来监管机构关注的并不只是器官芯片是否能够模拟人体，而是模型能否提供稳定、可靠、可用于研发决策的数据。

五、肝脏MPS为什么成为NAMs研究的重要应用方向

肝脏是药物代谢和安全性评价中的核心器官之一。许多候选化合物进入人体后需要经过肝脏代谢，而药物性肝损伤又是新药开发中重要的安全性问题。因此，能够在体外更接近人体肝脏环境的模型一直是药物研发领域的重要研究方向。

传统二维肝细胞培养虽然操作相对简单，但细胞长期培养后可能逐渐失去部分成熟功能。相比之下，动态灌流或多细胞MPS可以通过更加接近生理环境的培养方式延长部分肝细胞功能维持时间，并允许研究人员观察代谢、分泌、损伤标志物以及其他生物学终点。

跨平台研究还说明，肝脏MPS不能仅通过单一指标判断性能。细胞来源、供体数量、培养时间、代谢能力、胆小管结构、转运能力和检测终点都会影响最终研究结果。因此，建立平台评价体系需要对模型本身进行充分技术表征。

这种评价思路与传统的“只看最终毒性结果”不同。NAMs的发展越来越强调模型输入、培养过程和输出指标是否能够被标准化和重复。

六、CN Bio获得Innovate UK支持的PK项目主要研究什么

原始资料显示，CN Bio于2026年8月12日宣布获得英国创新署Innovate UK提供的18万英镑拨款，用于开展人体相关药代动力学研究。相关资金由NC3Rs合作提供，并与英国减少部分药物开发动物使用的路线图保持一致。

CN Bio获得Innovate UK支持开展人体相关PK研究

图4：CN Bio获得Innovate UK支持，推动人体相关药代动力学研究

该项目的重点是开发标准化工作流程，用于更加准确地预测药物在人体中的行为，同时减少部分动物研究需求并提高药物开发流程效率。

原始资料进一步指出，相关研究与英国政府到2030年减少部分PK研究中犬和非人灵长类动物使用量的目标有关，其中提出相应使用量减少35%的路线图目标。

药代动力学本质上研究药物在生物系统中的吸收、分布、代谢和清除。传统研究中，动物模型经常用于获得体内PK参数，但不同物种之间的代谢酶和生理结构差异可能影响结果向人体外推。

因此，人体相关MPS在这一方向的潜在价值，是通过人源细胞和更加接近人体器官环境的动态培养体系，为药物代谢和组织暴露研究提供新的数据来源。

七、人体相关PK模型为什么需要标准化工作流程，而不仅是一个芯片

器官芯片平台本身只是整个研究系统的一部分。真正用于药物研发决策时，还需要明确细胞来源、细胞培养条件、给药方式、流速、取样时间、分析方法、数据处理方式和最终参数计算。

如果不同实验室使用相同硬件，但细胞供体、给药浓度和数据处理完全不同，最终结果仍然可能难以比较。因此，CN Bio相关PK项目强调标准化工作流程，这一点与FDA CDER参与的跨平台肝脏MPS评价具有相似逻辑。

NAMs进入更规范研发流程的关键之一，就是将过去依赖经验的复杂操作逐步转化为可以记录和重复的方法。模型硬件、细胞、培养液、实验流程和数据分析共同决定最终结果。

因此，未来人体相关模型的竞争并不只是“哪个芯片结构更复杂”，而更可能转向哪个体系能够提供更明确的适用场景、更稳定的实验流程以及更容易解释的数据。

八、PhysioMimix是什么，它在器官芯片研究中承担什么角色

原始资料将CN Bio的PhysioMimix描述为一套微流控器官芯片系统，用于构建人体相关器官模型，并应用于药物发现和开发流程。

CN Bio PhysioMimix Core微流控器官芯片系统

图5：CN Bio PhysioMimix Core微流控器官芯片系统

从技术体系角度看，PhysioMimix并不是只对应一种固定器官模型，而是可以根据不同研究目标建立单器官、多器官以及不同通量的研究体系。原始资料强调其系统设计的灵活性和可扩展性，并提到全球前20大药企中已有16家使用该系统。

器官芯片的核心价值之一，是在体外引入动态流体环境。传统培养皿中的细胞通常处于相对静态状态，而人体组织持续受到血流、组织液和其他机械条件影响。微流控系统可以通过控制液体循环，使培养环境更加接近部分生理条件。

在多器官研究中，还可以进一步研究不同组织之间通过循环产生的相互作用。例如，一个化合物经过肝脏代谢后形成新的代谢物，后续可能对其他组织产生不同作用。虽然体外多器官系统仍然是简化模型，但它提供了传统单一二维培养无法直接实现的研究维度。

九、为什么器官芯片不能简单理解为“人体器官缩小版”

器官芯片常被描述为在芯片中重建人体器官，但这种表述容易让人产生误解。实际MPS通常只重建与研究问题最相关的一部分结构和功能，并不会完整复制整个器官的全部细胞类型、神经调控、免疫环境和系统性生理过程。

例如，肝脏MPS可以重点关注肝细胞代谢、胆汁相关功能和损伤指标，但并不意味着它能够完全模拟人体肝脏所有功能。类似地，心脏、肠道和肺部芯片也会根据具体研究目的选择需要重建的结构。

因此，模型设计的关键不是追求无限复杂，而是明确哪些生物学特征对于目标问题是必要的。一个结构相对简单但能够稳定回答特定问题的模型，可能比结构非常复杂但重复性不足的系统更具有研发价值。

这也与监管框架强调具体使用场景的思路一致。

十、为什么跨品牌评价不能简单做成设备性能排名

原始资料特别强调，FDA CDER相关跨平台肝脏MPS项目并不能用于对不同品牌进行直接比较。这个限制非常重要，因为不同系统的设计目标并不完全相同。

一些MPS可能更强调高通量筛选，一些系统更重视长期培养，另一些平台则可能提供更多功能终点。如果只用一个指标，例如ALT变化或者细胞存活率进行排名，就可能忽略不同模型的设计目标。

更加合理的评价方式，是首先确定研究问题，再判断每一种系统是否具有完成这一任务所需要的细胞类型、培养时长、代谢能力和检测终点。

原文提到PhysioMimix在所评价的系统中能够提供较多分析终点，但该研究实际仅采用其中一个特定子集。这也说明平台能够检测多少指标与研究最终需要使用多少指标是两个不同问题。

十一、从人体相关到监管可用还需要解决哪些问题

器官芯片能够使用人源细胞，这是提高人体相关性的一个基础，但并不足以自动证明模型可以用于药物研发决策。首先需要解决重复性问题，同一模型在不同批次、不同操作者和不同实验室中能否得到相近结果，是其进一步应用的基础。

其次，需要建立清晰的技术表征。研究人员需要知道细胞来源、培养时间、组织功能、代谢能力和检测灵敏度处于什么范围。第三，需要确定具体使用场景。模型可能适用于DILI风险评价，但并不意味着同一方法可以直接用于所有毒性终点。

第四，需要通过足够规模的数据集建立模型表现。只有将体外模型结果与已知临床或人体数据进行比较，才能逐步判断其预测能力。因此，NAMs的发展实际上正在从“证明技术可行”逐步进入“定义适用范围、建立标准并积累验证数据”的阶段。

十二、器官芯片与类器官有什么区别

类器官和器官芯片都属于人体相关模型，但两者的技术重点有所不同。类器官主要依靠细胞自身组织形成三维结构，可以在一定程度上模拟组织发育和细胞空间组织关系。器官芯片则更强调利用工程化平台控制培养环境，例如通过微流控提供灌流、机械刺激或组织间连接。

两种技术并不是相互替代关系。类器官可以作为器官芯片中的细胞或组织模块，而微流控平台又可以改善类器官的营养供给和动态培养环境。

因此，在未来人体相关模型开发中，更可能出现类器官、MPS、微流控和多组学分析等多种技术组合，而不是只依赖某一种单独技术。

十三、AI与器官芯片为什么可能形成互补

原始资料在英国资助项目中提到利用人工智能预测药物在体内运动的研究方向。AI和器官芯片解决的是不同问题，但两者可以形成互补。器官芯片能够产生人体相关实验数据，而AI模型可以帮助分析大量实验变量、建立预测模型，并寻找不同化合物结构与生物反应之间的关系。

如果未来能够积累规模更大的标准化MPS数据集，就可能进一步用于建立计算模型，从而减少每一个候选化合物都需要完成大量独立实验的需求。

但AI预测质量高度依赖输入数据。如果不同器官芯片平台产生的数据缺少统一标准，模型训练也会受到影响。因此，跨平台标准化与AI应用实际上存在直接联系。

十四、为什么器官芯片特别适合连接实验数据与人体临床问题

传统二维细胞模型通常能够回答相对基础的问题，例如某种化合物是否影响细胞活率。但临床问题往往更加复杂，例如某种药物为什么在部分受试者中出现肝酶升高，或者某一种代谢产物是否会影响另一个器官。

器官芯片能够在更复杂的细胞和动态环境中研究这些问题，因此有机会建立实验终点与临床现象之间更直接的联系。

FDA CDER与3RsC围绕早期临床试验肝酶升高开展MPS评价，就是这种“从临床问题反向定义模型使用场景”的典型思路。

这类设计与单纯进行化合物毒性筛查不同。它首先提出一个真实临床问题，然后判断哪些MPS终点能够帮助解释这个问题。

十五、器官芯片是否意味着未来完全不需要动物实验

从原始资料中的政策和研究项目来看，目前更准确的趋势是，在存在可靠替代技术并具有充分科学依据的部分应用中逐步减少动物使用，而不是简单认为所有动物实验都会立即被一种新技术全面取代。

不同研究问题所需要的系统复杂度不同。一些机制研究、特定安全性问题或代谢研究可以通过人体相关模型获得有价值数据，但其他涉及完整免疫系统、长期全身反应或复杂行为的问题仍可能需要不同研究方法。

因此，NAMs更合理的发展方向，是建立多种方法之间的证据组合。二维细胞、类器官、器官芯片、计算模型和其他实验体系可以根据研究阶段提供不同层面的信息。

未来药物研发可能更加重视“哪个方法最适合回答当前问题”，而不是固定所有项目都必须使用相同实验路线。

十六、PhysioMimix相关平台如何支持不同研究需求

原始资料将PhysioMimix描述为可以用于单器官、多器官以及高通量应用的器官芯片体系，并强调系统部署和扩展能力。不同研究阶段可以根据问题复杂度选择不同模式。

在早期筛选阶段，研究人员可能更加关注通量和实验效率；进入机制研究后，则可能需要更复杂的组织结构和多个功能终点；对于PK和跨器官研究，多器官连接可能进一步提供代谢和组织暴露信息。

因此，一个MPS平台是否具有价值，需要结合具体研究需求判断，而不是单纯比较芯片数量或者功能列表。

CN Bio微流控器官芯片彩页2026

图6：CN Bio微流控器官芯片彩页2026

十七、器官芯片未来进入药物研发流程的关键是什么

从英国NAMs战略、FDA CDER参与的肝脏MPS评价，以及Innovate UK支持的人体相关PK研究可以看到，器官芯片正在从单纯的实验室创新工具逐步进入更加系统化的评价阶段。

早期器官芯片研究主要需要证明“这个模型能够工作”，例如能够维持肝细胞代谢或者形成组织屏障。现在研究重点正在进一步转向模型能否重复、不同平台如何比较、实验结果能否对应临床问题，以及数据能否进入研发或监管决策流程。

因此，未来决定器官芯片应用范围的关键因素可能包括标准化、模型技术表征、跨实验室重复性、临床相关数据集和具体使用场景。

从这个角度看，器官芯片的发展已经不仅是一个微流控工程问题，而是细胞生物学、药理学、数据分析、工程控制和监管科学共同参与的交叉技术体系。

十八、常见问题

Q1：器官芯片和微生理系统MPS是同一个概念吗？

两者高度相关，但实际使用中MPS通常是更广泛的概念，可以包括多种能够模拟人体组织生理特征的体外系统，器官芯片则常强调利用微流控或工程化芯片环境进行动态培养。

Q2：为什么FDA相关研究重点关注肝脏MPS？

肝脏是药物代谢和安全性研究的重要器官，DILI又是药物开发中的重要临床安全问题，因此肝脏MPS具有明确的使用场景和临床对应问题，适合开展系统评价。

Q3：八种肝脏MPS跨平台研究是不是在比较哪个品牌最好？

不是。原始资料明确指出，该工作属于设计和流程研究，不能直接用于不同商业平台之间的简单排名，重点是建立类别级评价框架。

Q4：器官芯片为什么需要人源细胞？

使用人源细胞可以减少物种差异带来的部分外推问题，使模型能够更加直接研究人体相关代谢和组织反应。但人源细胞本身也存在供体差异，因此仍需要进行标准化和质量控制。

Q5：器官芯片能不能用于药代动力学研究？

可以作为人体相关PK研究的一种技术方向。原始资料中的Innovate UK项目即围绕标准化人体相关PK工作流程展开，但具体可预测参数和适用范围仍需要通过研究验证。

Q6：NAMs是不是等于完全不用动物实验？

不是。NAMs强调发展新的研究方法，并在科学可靠的具体应用中减少对传统实验方式的依赖。不同研究问题仍需根据实际科学需求选择合适方法。

十九、总结

动物模型长期承担药效、安全性和药代动力学研究的重要任务，但物种差异使动物数据向人体外推时存在一定限制。器官芯片、微生理系统、类器官和AI辅助模型等NAMs的发展，为直接使用人体相关模型研究药物行为提供了新的技术路径。

英国近年来持续推动减少科研动物使用，并投入资金支持人体相关模型和替代方法研究。与此同时，FDA CDER与3Rs Collaborative围绕DILI开展跨平台肝脏MPS评价，进一步说明器官芯片研究正在从单个平台可行性验证进入类别级标准和监管使用场景讨论阶段。

这类跨平台项目最重要的意义并不是选出某一个“最好”的器官芯片，而是建立共同的评价语言，包括细胞来源、培养配置、代谢能力、功能指标、临床问题和具体使用场景。

CN Bio获得Innovate UK支持开展人体相关PK研究，则体现了器官芯片应用从安全性毒理学向药物代谢和PK预测进一步延伸的趋势。相关项目强调标准化工作流程，也说明器官芯片真正进入药物研发流程需要解决的不只是硬件问题，还包括实验设计、细胞质量、过程控制、数据分析和结果解释。

因此，未来器官芯片是否能够在更多研发环节发挥作用，核心并不是模型能否在视觉或结构上像人体器官，而是能否持续产生稳定、可重复、能够与人体临床问题建立联系的数据。随着技术表征、跨平台评价和标准化研究逐步完善，人体相关模型有望成为药物研发证据体系中越来越重要的一部分。

参考来源

1 U.S. Food and Drug Administration. Draft Guidance: Oncology Pharmaceuticals: Streamlined Nonclinical Safety Studies for Biologics and Conjugated ProductsS. 2026. Docket No. FDA-2026-D-2839.

2 Department for Business, Innovation and Science, UK Government. Patients to benefit from faster access to medicines as UK moves away from animal testingR. Official Press Release, 12 August 2026.

3 CN Bio. Introduction to the 3RsC cross-platform liver microphysiological systems evaluation in collaboration with FDA CDEREB/OL. Technical Resource Article.

4 CN Bio. CN Bio awarded Innovate UK grant to reduce animal use in pharmacokinetic studiesEB/OL. Corporate News Release, 12 August 2026.

5 UK Government. Animal testing to be phased out faster as UK unveils roadmap for alternative methodsR. Official Press Release, 11 November 2025.

本文基于CN Bio公开资料及相关公开研究与政策信息整理，用于器官芯片、微生理系统、NAMs、药物性肝损伤和人体相关药代动力学研究等方向的技术交流与实验参考。不同MPS平台在细胞来源、模型结构、培养时间和检测终点等方面存在差异，实际研究应结合具体应用场景和原始技术资料进行模型选择与验证。