2026年8月19日，哥伦比亚大学工程学院的Gordana Vunjak-Novakovic教授团队在《Science Translational Medicine》上发表了一项研究，开发出了全球首个“多器官芯片”，它能够模拟癌细胞从血管流向远端器官并完成定植的全过程——这是同类模型中第一个实现这一目标的人类组织模型。

一块芯片，承载人造的骨骼与肺

癌症最危险的一步，不是它从哪里长出来，而是它去了哪里。当癌细胞离开最初的肿瘤，钻进血管，顺着血液流到骨骼、肺部、肝脏这些远处的器官，在那里重新扎根、生长——这个过程叫做转移。根据挪威癌症登记数据的统计，实体瘤导致的癌症死亡中，大约三分之二都与转移有关。换句话说，绝大多数癌症病人并不是被原发的肿瘤夺去生命，而是死于癌细胞在身体各处播下的种子。

然而，几十年来针对癌症转移阶段开发的药物，大多数都在临床试验中失败了。一个重要原因是科学家缺少能够真实复现人类癌症转移过程的实验室模型。动物模型当然很有价值，但人类与老鼠之间的生物学差异摆在那里：一种药在小鼠身上效果显著，换到人身上却可能毫无反应。

哥伦比亚大学工程学院的Gordana Vunjak-Novakovic教授团队研发的这块芯片的核心，是一套精密的微生理系统（microphysiological system），也就是俗称的“器官芯片”。器官芯片主体通常由高分子材料制成，最常见的是聚二甲基硅氧烷（PDMS）。这种材料透明、轻盈、生物相容性好，便于在显微镜下观察细胞的生长和反应。

研究团队先用诱导多能干细胞（iPSCs） 分别培育出毫米级的人类骨骼组织和肺组织——这两个器官正是乳腺癌最容易转移的部位。他们还制造了一层模拟血管内壁的内皮屏障，将所有组织安置在芯片上彼此独立又相互连通的腔室中。微流控管道模拟血液循环，而选择性通透的内皮屏障将组织与血管隔开，就像在人体里一样，只允许特定的细胞和分子通过。

“开发人类转移组织模型的迫切需求，是我们这项研究的关键动机，”Vunjak-Novakovic说，“我们的目标是探究癌细胞附着并穿越内皮的能力，以及它们通过细胞重编程和生态位重塑在定植组织中存活的能力。”

当乳腺癌细胞被注入循环管道后，芯片开始演示微观世界的变化：癌细胞随血流抵达内皮屏障，试图附着上去，挤过缝隙，穿透防线，最终进入组织腔室。这一步叫做器官定植（organ colonization），是整个转移过程中最关键、也最难被直接观察的阶段。

芯片给出的结果令人印象深刻。那些天然倾向于侵袭骨骼的癌细胞亚群，在骨组织腔室里大量聚集，并引发了明显的骨质破坏；而那些偏好肺部的癌细胞亚群，则主要在肺组织腔室里肆虐，对骨骼的影响十分有限。两种情况下，癌细胞分泌的信号分子也完全不同。芯片捕捉到的不是随机事件，而是真实的器官特异性转移倾向——也就是肿瘤生物学里那句经典比喻所描述的：“种子”如何在最合适的“土壤”里生根发芽。

“癌症非常聪明，不幸的是确实如此。我们了解了细胞是如何穿越屏障从血液循环进入组织的，”Vunjak-Novakovic说，“我们还能够重现患者体内发生的一件事：癌细胞在定植之前就会先‘调理’目标组织，使其更容易接纳自己。”

难以捕捉的“转移前生态位”

科学家在芯片上观察到了一个此前难以在实验室中复制的现象：癌细胞在正式定植之前，会先释放一些信号分子，对远处的骨骼或肺组织进行“预处理”，让这些器官变得更容易接纳自己。这个过程被称为转移前生态位形成（pre-metastatic niche formation）。

在患者体内，由于多种生物学事件同时发生，几乎不可能把它单独分离出来研究。但在芯片的可控环境里，这一幕被清晰记录了下来。这一发现为“种子与土壤”理论提供了直接的实验证据——癌症的转移并非随机，而是癌细胞主动改造远端环境的结果。

该研究的共同作者、哥伦比亚大学工程学院的博士生Ilaria Baldassarri表示：“随着FDA和NIH越来越重视新方法学，这项研究是一个具体的例子，展示了这种转变在实践中可以是什么样子，应用于癌症最具挑战性的标志之一：转移。”

对于医生来说，下一步可用患者自身的细胞来构建这套平台，从而回答一个非常个性化的问题：为什么这位患者的癌症转移到骨骼，而另一位患者的却袭击肺部？

转移是一条环环相扣的链条，每一个环节都可能成为药物拦截的目标。现在，科学家得以逐环拆解这个致命链条，看清癌症最狡猾的一步究竟是怎样发生的。

“这个先进转移模型的关键优势在于它是人类的，并且可以……”Vunjak-Novakovic在SciTechDaily的报道中补充道。研究团队的目标不仅是理解转移，更是为开发真正有效的抗转移疗法提供一个可靠的平台——一个能够在人类生物学背景下测试药物、筛选靶点、观察干预效果的系统。

从一块指甲盖大小的芯片上，科学家正在重新理解癌症最致命的一步。而这一次，他们用的不再是老鼠的细胞，而是人类自己的。