微生理系统（MPS）如何契合FDA、欧盟与英国减少动物试验路线图？七大典型应用场景解析

摘要

随着美国FDA、欧盟委员会以及英国监管机构陆续发布减少动物试验和推动新方法学（NAMs）应用的政策文件，微生理系统（Microphysiological Systems，MPS）和器官芯片技术正在成为药物研发领域的重要研究方向。相比传统动物模型，MPS能够更好地模拟人体器官微环境，在药物安全性评价、药代动力学研究、疾病建模以及机制研究等方面展现出越来越高的应用价值。本文结合近年来公开发表的研究成果及行业案例，对当前与国际监管趋势高度契合的七类MPS应用场景进行梳理，并探讨其在未来药物研发体系中的定位与发展方向。

关键词：微生理系统、MPS、器官芯片、NAMs、新方法学、动物实验替代、FDA、药物安全性评价、药代动力学、肝芯片

一、全球监管机构正在推动减少动物试验

近年来，动物模型在人类疾病预测能力方面的局限性逐渐受到关注。由于不同物种之间在代谢途径、免疫反应以及药物敏感性等方面存在显著差异，传统动物实验往往难以完全预测人体真实反应。同时，伦理要求、研发效率以及成本控制等因素也推动全球监管体系开始探索新的研究模式。

美国FDA于2026年发布肿瘤药物相关非临床安全性研究指导原则，欧盟委员会发布逐步淘汰动物试验路线图，英国政府也发布替代方法发展规划。虽然各地区政策细节有所不同，但核心方向均指向新方法学（NAMs）的推广应用，即利用更加贴近人体生理特征的研究工具补充甚至部分替代传统动物实验。

英、美、欧相继出台减少动物试验监管路线

图1 英、美、欧相继出台减少动物试验监管路线

二、微生理系统为何受到监管关注

微生理系统（MPS）通过将人源细胞、生物材料、微流控技术以及动态培养环境相结合，在体外构建具有一定生理功能的人体组织模型。与传统二维细胞培养相比，这类系统能够更好地模拟人体组织结构、细胞间相互作用以及长期动态暴露环境，因此在药物研发过程中展现出更高的人体相关性。

值得注意的是，当前监管机构并不要求完全取代动物实验，而是希望通过能够回答特定科学问题的数据来提升决策质量。在这一背景下，MPS的重要价值并不在于“替代”，而在于提供传统模型难以获得的人体相关数据，从而提高药物研发早期风险识别能力。

三、应用场景一：药物安全性评价

药物安全性评价是当前MPS应用最成熟的方向之一。尤其是在药物性肝损伤（DILI）研究中，传统二维培养模型和部分动物模型均存在明显局限，而肝脏微生理系统能够在较长培养周期内维持肝细胞功能状态，并支持重复给药研究、代谢分析以及多终点检测。

对于胆汁淤积型肝损伤、特异性肝损伤等复杂毒性机制研究而言，MPS能够提供更接近人体生理状态的实验环境，从而帮助研究人员更早发现潜在安全风险。

四、应用场景二：胆汁淤积机制研究

胆汁淤积是药物性肝损伤的重要类型之一，其发生机制涉及胆汁酸代谢、转运体调控以及核受体信号通路等多个环节。由于相关机制复杂，目前传统体外模型和动物模型均难以准确预测人体胆汁淤积风险。

近年来，多项研究表明，高生理相关性的肝脏微生理系统能够长期维持胆汁酸代谢功能，并支持胆汁酸动态监测、转录组分析以及机制研究，为胆汁淤积相关药物评价提供了新的研究工具。

五、应用场景三：解释跨物种数据差异

在药物研发过程中，不同实验体系之间出现结果不一致并不少见。例如某些药物在动物实验中表现安全，但进入临床阶段后却出现明显毒性；也有部分药物在体外实验中显示风险，却未在动物实验中得到验证。

跨物种MPS模型能够同时研究人、大鼠、犬等不同来源细胞的反应差异，从而帮助研究人员分析毒性产生机制，提高数据解释能力，并为后续研发决策提供参考依据。

MPS可实现多维终点检测

图2 MPS系统可实现多维终点检测

六、应用场景四：免疫介导毒性研究

随着单克隆抗体、核酸药物、细胞治疗等新型疗法的发展，免疫介导毒性越来越受到关注。由于动物模型与人体免疫系统存在较大差异，因此传统研究体系对于此类风险的预测能力有限。

近年来，研究人员开始将免疫细胞引入肝脏MPS体系，通过构建具有免疫功能的人体相关模型，对炎症反应、细胞因子释放以及免疫介导损伤进行研究。这类模型正在成为新型药物安全评价的重要研究方向之一。

七、应用场景五：基因毒性与遗传毒性评价

基因毒性评价是药物安全性研究的重要组成部分。当前标准评价体系通常需要多种实验联合完成，而不同实验之间仍存在一定局限性。

部分研究团队正在利用肝脏微生理系统构建具有长期代谢功能的体外模型，并结合彗星实验、微核实验以及高通量测序技术开展综合评价研究。相关成果显示，这类模型有望为未来基因毒性风险识别提供新的研究思路。

八、应用场景六：药代动力学与ADME研究

药代动力学研究涉及药物吸收、分布、代谢和排泄（ADME）全过程，是药物开发的重要环节。传统体外模型在长期代谢研究、首过效应评价以及复杂药物暴露研究方面存在一定局限。

MPS能够通过持续灌流培养维持组织长期功能状态，并实现肠道与肝脏等多个器官模型连接，从而支持更加复杂的药代动力学研究，提高人体药代动力学预测能力。

九、应用场景七：疾病建模与疗效研究

除安全性研究外，疾病模型构建也是MPS的重要应用方向。代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）、胰岛素抵抗以及慢性炎症等复杂疾病均涉及多种细胞类型和动态微环境变化，传统模型往往难以完整模拟。

通过构建具有更高人体相关性的疾病模型，MPS能够帮助研究人员研究疾病发生机制、筛选候选药物以及探索潜在治疗策略，从而提高研发效率并降低后期失败风险。

十、监管验证正在加速推进

目前，多个国际合作项目正在评估不同商业化MPS平台在药物安全评价中的应用价值。例如FDA相关合作项目已开展多中心、双盲验证研究，对多个肝脏微生理系统进行标准化评估，以推动MPS在药物性肝损伤风险评价中的规范应用。

这类研究对于建立行业标准、增强监管认可度以及推动MPS进入正式研发流程具有重要意义。

FDA相关MPS监管评估项目

图3 FDA相关MPS监管评估项目示意图

CN Bio PhysioMimix Core微流控器官芯片系统

图4 CN Bio PhysioMimix Core微流控器官芯片系统

结语

从当前全球监管趋势来看，微生理系统已经不仅仅是器官芯片领域的新兴技术，而正在逐步成为新方法学（NAMs）体系中的重要组成部分。无论是在药物安全性评价、药代动力学研究、基因毒性检测还是疾病建模领域，MPS都展现出越来越高的人体相关性和应用潜力。随着更多验证研究和监管项目推进，未来MPS有望在减少动物试验、提升研发效率以及改善临床转化成功率方面发挥更重要作用。

参考资料

1 FDA Oncology Pharmaceuticals Guidance

2 EU Roadmap Towards Phasing Out Animal Testing

3 UK Roadmap for Alternative Methods

4 Liver-on-a-chip Model and Application in Predictive Genotoxicity

5 Primary Human Gut-Liver Microphysiological System

6 Abbas et al., Lab on a Chip, 2025

本文基于微生理系统（MPS）、器官芯片、新方法学（NAMs）、药物安全性评价、药代动力学及相关公开文献资料整理，用于科研信息分享和实验参考。文章主要围绕国际监管趋势下微生理系统在药物研发中的应用场景、研究进展及监管动态进行介绍。