摘要

近年来，美国FDA、欧盟委员会以及英国监管机构陆续发布减少动物实验的路线图，推动新方法学（NAMs）在药物研发中的应用。作为NAMs体系中的重要组成部分，微生理系统（Microphysiological Systems，MPS）正在成为连接传统体外模型与人体临床研究的重要桥梁。本文结合公开监管政策及行业案例，系统梳理微生理系统在药物安全性评价、药代动力学研究、免疫毒性评估、疾病建模等领域的七大典型应用场景，并分析其与国际监管发展方向的契合点。

关键词：微生理系统、MPS、器官芯片、NAMs、动物实验替代、FDA、药物毒理学、肝芯片、ADME、药代动力学

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一、全球监管机构正在推动减少动物实验

长期以来，动物实验一直是药物研发过程中安全性和有效性评价的重要组成部分。然而，随着研究不断深入，行业逐渐认识到动物模型在预测人体反应方面存在天然局限。不同物种之间的代谢机制、免疫系统以及器官功能差异，导致许多在动物实验中表现良好的候选药物进入临床后仍然出现安全性问题或疗效不足。同时，伦理要求、研发成本以及实验周期等因素，也促使监管机构开始积极探索动物实验替代方案。

2025年至2026年间，美国FDA、欧盟委员会以及英国政府相继发布关于减少动物实验的新政策和路线图，明确提出将逐步增加新方法学（NAMs）在药物研发中的应用比例。监管机构并非简单要求完全取消动物实验，而是希望引入更符合人体生理特征、预测能力更强的新技术体系，以提升临床前研究的科学性和转化效率。

图1. 美国FDA、欧盟及英国近年来发布的动物实验替代相关路线图

在这一背景下，微生理系统（MPS）逐渐进入监管机构和药物研发企业的视野，并成为NAMs领域最受关注的技术方向之一。

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二、什么是微生理系统（MPS）？

微生理系统通常被称为器官芯片或微流控器官模型，其核心目标是在体外构建更加接近人体真实生理环境的实验系统。与传统二维细胞培养相比，MPS能够模拟细胞间相互作用、组织结构、血流灌注以及代谢过程，从而获得更具临床相关性的实验数据。

随着监管机构对数据质量和人体相关性要求不断提高，MPS已经从单纯的科研工具逐步发展为药物研发的重要决策平台。特别是在安全性评价和药代动力学研究领域，由于这些数据直接影响药物是否能够进入人体临床试验，因此更高预测能力的模型具有重要价值。

监管部门越来越强调“证据权重（Weight of Evidence）”理念，即利用多种来源的数据共同支撑研发决策，而微生理系统正是这一体系中的重要组成部分。相比单纯依赖动物实验，MPS能够为药物研发提供更加贴近人体实际情况的补充证据。

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三、应用场景一：药物安全性评价

药物安全性评价是微生理系统最成熟的应用方向之一。肝脏作为人体药物代谢的核心器官，也是药物毒性最容易发生的部位。对于药物性肝损伤（DILI）等复杂毒性问题，传统二维细胞培养往往难以维持长期功能，而动物模型又受到物种差异影响，因此预测准确性有限。

微生理系统能够构建更接近人体生理状态的肝脏模型，通过长期培养、重复给药以及多维度生物标志物检测，实现对肝毒性的持续监测。这类系统不仅能够观察细胞损伤，还能够同时分析炎症反应、代谢变化以及免疫相关机制，为药物安全性评价提供更全面的数据支持。

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四、应用场景二：药物性胆汁淤积研究

胆汁淤积型肝损伤是药物研发过程中最具挑战性的安全性问题之一。由于胆汁酸代谢涉及多个转运体和复杂调控网络，传统模型往往难以准确预测相关风险。

研究表明，高生理相关性的肝脏MPS能够较好地模拟胆汁酸代谢过程，并长期维持肝细胞功能状态，从而帮助研究人员观察胆汁酸水平变化、转运体表达以及相关病理过程。相比传统模型，MPS能够更早识别潜在风险，为药物研发提供更可靠的决策依据。

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五、应用场景三：解析动物与人体数据不一致问题

药物研发过程中经常会遇到动物实验结果与体外实验结果相互矛盾的情况，而最终人体临床表现又可能与二者均不完全一致。

在这种情况下，跨物种微生理系统能够同时建立人、大鼠、犬等不同来源细胞模型，通过对比分析药物反应差异，帮助研究人员理解物种间毒性机制的不同来源，并进一步判断哪一种模型更接近人体真实情况。

图2. 单孔微生理系统可实现多维度终点指标检测

相关研究显示，与传统二维培养相比，MPS能够长期维持肝脏功能状态，并观察到更加明显的物种特异性毒性反应，为复杂药物研发项目提供重要参考。

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六、应用场景四：免疫介导毒性评价

近年来，单克隆抗体、siRNA、细胞治疗以及基因治疗产品快速发展，但这些创新疗法往往涉及复杂的人体免疫反应，而传统动物模型对人类特异性免疫过程的模拟能力有限。

通过将肝脏模型与人外周血免疫细胞联合培养，微生理系统能够在体外模拟免疫细胞参与的炎症反应和组织损伤过程，从而帮助研究人员识别潜在的免疫毒性风险。随着FDA和英国MHRA不断强调人体相关性评价的重要性，免疫功能型MPS正在成为新型疗法开发的重要工具。

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七、应用场景五：基因毒性与致突变性研究

基因毒性评价是药物安全性研究的重要组成部分，但目前仍缺乏能够同时覆盖多个关键终点指标的统一模型。

近年来，基于肝脏MPS建立的体外评价体系已经开始用于DNA损伤、染色体异常以及基因突变等多个维度的检测。研究结果表明，这类系统能够维持稳定的人体代谢能力，并有望实现更加全面的基因毒性评估，从而减少传统动物实验需求。

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八、应用场景六：药代动力学与ADME研究

药代动力学（PK）和ADME研究是药物研发过程中不可或缺的环节。传统体外模型虽然能够提供部分代谢信息，但对于长期给药、酶诱导以及首过代谢等复杂过程往往存在局限。

微生理系统通过持续灌流和动态培养环境，能够长期维持组织功能状态，并模拟肠道与肝脏之间的相互作用。因此，研究人员可以利用MPS更准确地预测药物吸收、分布、代谢和排泄过程，提高人体药代动力学预测能力，并优化首次人体给药剂量设计。

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九、应用场景七：疾病建模与疗效研究

除了安全性评价之外，微生理系统在疾病模型构建方面同样具有巨大潜力。代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）、肿瘤、神经退行性疾病以及炎症相关疾病等复杂病理过程，往往难以通过传统体外模型完整重现。

通过构建具有更高人体相关性的疾病模型，研究人员能够更早获得候选药物的疗效信息，从而优化项目筛选流程，降低后期临床失败风险。这种应用方向虽然并非监管部门强制要求，但对于提升研发效率具有重要价值。

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十、监管认可正在逐步建立

随着行业快速发展，监管机构也开始推动微生理系统标准化验证工作。例如FDA相关项目已经启动多中心、跨平台的肝脏MPS评价研究，通过统一化实验设计和独立数据分析，评估不同系统在药物性肝损伤研究中的表现。

图3. 提升MPS监管应用信心的跨机构合作项目

这些工作将有助于建立监管部门对MPS数据的信任基础，并推动微生理系统逐步进入正式监管框架。

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结语

从美国FDA到欧盟委员会，再到英国监管机构，全球范围内减少动物实验的趋势已经十分明确。在这一背景下，微生理系统凭借更高的人体相关性和更强的机制解析能力，正在成为药物研发领域的重要技术平台。

无论是药物安全性评价、药代动力学研究、免疫毒性分析，还是疾病建模与疗效预测，MPS都展现出传统模型难以替代的价值。未来随着标准化体系不断完善以及监管认可度持续提升，微生理系统有望在药物研发决策链中承担越来越重要的角色。

关于微生理系统、器官芯片及相关应用案例，可进一步参考行业资料：https://www.mine-bio.com/CN-Bio-Innovations/?utm_source=csdn&utm_medium=referral&utm_campaign=cnbio_article

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技术来源说明：本文根据公开监管文件及CN Bio、器官芯片、微生理系统MPS的参考文献、应用文章等公开技术资料曼博生物整理，用于科研信息分享与行业交流。