東大成果又登Science子刊！對話趙遠錦，揭秘「器官晶元」是怎樣煉成的
東南大學趙遠錦教授課題組在「器官晶元」的研究中取得重要進展，課題組成員受細胞和細胞器啟發，構建了可以串聯催化的酶體系，並開發了可以實現酒精代謝的仿生「肝臟晶元」，為酒精解毒和肝臟代謝的研究和模擬提供了嶄新的平台。該研究成果於2018年6月16日以「Biomimetic enzymecascade reaction system in microfluidic electrospray microcapsules」為題發表在國際頂級期刊《Science Advances》（科學進展）雜誌上。趙遠錦教授是該篇論文的唯一通訊作者，東南大學2015級博士生王歡是該論文的第一作者。
圖1 仿生酶催化微膠囊製備示意圖。(A)細胞內串聯反應示意圖。(B)包含有酶固定化反蛋白石微球的微膠囊的串聯反應示意圖。(C)微流控電噴生成微膠囊示意圖。
在生物體中，絕大多數物質轉換都是通過許多種酶串聯催化來實現的。為了保證串聯催化的高效性，這些協同運作的酶通常會集中在某些細胞或細胞器中。這種生理結構不僅可以有效降低中間產物的散失，還可以防止物質轉化過程中的副產物對機體的毒害作用。因此，對該生理結構進行模擬，可以實現仿生「器官晶元」的構建和病變器官的治療與替代，具有重要的研究價值。肝臟是人體重要的解毒器官，因此，構建具有肝臟解毒功能的「肝臟晶元」是「器官晶元」開發的重要內容。東南大學趙遠錦教授課題組受細胞和細胞器內酶串聯反應系統的啟發，提出構建仿生酶串聯反應微膠囊，並實現肝臟晶元酒精解毒功能的初步模擬。
圖2 含有不同顏色和數量酶固定化水凝膠微球的微膠囊
趙遠錦教授說，由於某些酶之間會相互影響，因此需要將不同的酶分別固定，然後再通過微流控構建出包裹有酶載體的微膠囊。在本研究中，研究人員使用反蛋白石結構微球作為酶載體。反蛋白石水凝膠微球是一類具有有序納米孔洞的材料。通過調控納米孔洞大小，可以得到一系列不同顏色的水凝膠微球。將不同顏色的水凝膠微球固定不同的酶，可以實現對酶的有效區分。微流控電噴技術則可以通過對流體的精確控制實現對微膠囊的大批量製備（圖2）。
圖3 生物催化在細胞培養過程中的影響。(A-C)細胞在含酒精培養基、酒精/酒精氧化酶載體培養基、酒精/（酒精氧化酶/過氧化氫酶）載體培養基中的生長狀況。(D)相應的細胞存活率。
眾所周知，飲酒過度和酒精中毒是當前社會中的一個重要問題。由於很多人肝臟對酒精的解毒功能不足，酗酒鬥毆事件時有發生。為了解決這個社會問題，研究人員對過氧化氫酶和酒精氧化酶構建的微膠囊進行了研究。研究發現，當細胞與酒精和酒精氧化酶載體一起共培養時，酒精氧化酶會將酒精轉化成乙醛和過氧化氫，從而造成細胞活性的大幅下降。而細胞與酒精和（酒精氧化酶/過氧化氫酶）載體一起共培養時，由於過氧化氫被分解，有毒中間產物含量減少，因此細胞活性遠高於不含過氧化氫酶的組（圖3）。這表明該微膠囊具有類似於肝臟的良好的酒精初步代謝功能。在後續的研究中，通過集成高效的乙醛脫氫酶，將會構建出功能更齊全的（酒精氧化酶/過氧化氫酶/乙醛脫氫酶）酒精代謝微膠囊，從而為仿生肝臟晶元的研發與應用提供一個可行的思路。
東南大學趙遠錦教授
每周工作70小時
「器官晶元」是這樣煉成的
同學你好，可變色的「心臟晶元」了解一下？
這裡說的可不是利用硅電子晶元進行人體器官模擬的模擬器，而是含有真正人體活體細胞的生物晶元。就在前不久，東南大學生物科學與醫學工程學院趙遠錦教授課題組在「器官晶元」的研究中取得了重要進展，開發了具有微生理可視化功能的「心臟晶元」，通過晶元的顏色變化來監測心臟對不同藥物的反應，從而免去動物和臨床試驗，為藥物篩選和研發提供一種嶄新的平台，可大大降低新葯研發成本。研究成果發表在國際頂級期刊《Science Robotics》（科學-機器人）雜誌上，這也是中國學者獨立完成的首篇《科學》機器人子刊論文。
趙遠錦，東南大學生物科學與醫學工程學院教授、博士生導師，主要研究方向為微納結構生物材料、仿生智能界面材料、仿生器官晶元。2011年3月博士畢業後留校工作，2012年破格晉陞為副教授，2015年破格晉陞為教授。
趙遠錦教授常年指導本科生，參與了校團委組織的「優秀本科生提前進入知名教授實驗室計劃」，今年也憑藉項目「新型生物醫用微載體開發」參與了第十六屆「挑戰杯」全國大學生課外學術競賽的指導工作。
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這兩年，趙教授發表論文的期刊
其實在2017年，趙遠錦教授團隊就先後在國際頂級期刊《Science Advances》《PNAS》《Advanced Materials》《Angewandte Chemie》《Chemical Reviews》上發表了多篇論文。
兩次破格晉陞，近百篇論文，短短兩年間多次取得重大研究進展……看到這裡，不知道在你的心目中描繪出的趙遠錦教授是怎樣的形象呢？常言道「百聞不如一見」，就讓趙教授自己來解答大家心中的疑惑吧。
趙遠錦教授
01
再見,趙醫生。你好,趙博士
趙遠錦教授本科就讀於東南大學醫學院臨床醫學專業，2006年獲得臨床醫學學士學位後，轉行攻讀生物醫學工程專業。
當我們問起轉專業的緣由時，趙教授回憶道，當時醫學院與生醫學院在丁家橋校區共用同一座教學樓，因此結識了許多生物醫學工程專業的同學。他發現兩個專業的基礎課其實有很多共通之處，並且，相比醫學生考試周要背一本本厚重的教科書，運用邏輯思維，用工程的手段來解決醫學問題似乎來得更有趣。
出於對工學的濃厚興趣，再加上醫學生在人體生理機能方面紮實的知識基礎，趙教授在畢業後毫不猶豫地選擇了生物醫學工程專業，跟隨顧忠澤教授研究生物感測方向，期間發表多篇論文並獲得多項發明專利。
02
訪學哈佛，我輩當自強
在讀博期間，趙教授曾赴哈佛大學工程與應用科學學院訪學一年，從事微流控晶元的研究。
趙教授在進行實驗研究
談到在國外交流的經歷，趙教授說哈佛名氣雖大，但是做實驗的效率、方便程度其實並不如國內。目前我們在很多領域也已經達到了世界一流的水平，我們的學子走出國門，千萬不要看輕自己，覺得國外的大學有多麼的厲害，相反，我們要讓別人看到我們的厲害。最後還鼓勵同學們，「數風流人物，還看今朝」。
趙教授認為，致力於科研的大學生的確應該有「世界這麼大，我要去看看」的想法。但出國留學不單是去學習國外的高校在某個領域的先進的技術或思想，更多的是開拓視野，放寬眼界，站在更高的角度上看問題，才能想得更遠。
03
嚴謹求是，天道酬勤
雖然平日的趙教授風趣幽默、親切和藹，但在科研方面卻是毫不含糊的。對自己嚴謹，對同學嚴謹，對科研嚴謹，是趙教授一貫的原則。
當問到趙老師的座右銘時，他笑笑說，其實很簡單，只有四個字——「天道酬勤」。早在當年趙教授跟隨顧忠澤教授讀博的時候，顧教授便常用這句話教導大家，時至今日，趙教授仍把這句話奉為圭臬，以之勉勵自身和他的學生。
天道酬勤並非一句空話。實驗室的作息表是8:30-17:30，他要求男生每周至少工作滿50小時，女生至少40小時，而他自己，每天早晨8點鐘就到實驗室，做實驗、閱讀文獻、批改論文、處理各種事務……離開時往往已經晚上10點鐘。就連本應該休息的周末，也常常能在實驗室里看到趙教授的忙碌的身影。他說，我只有自己每周工作70小時，才能要求同學們工作4、50小時呀！
想必是趙教授的率先垂範，他和他的團隊才屢屢取得矚目的成就，讓「器官晶元」走入聚光燈下，登上了世界頂級的舞台。
隱藏在校園深處的實驗室
04
偏居一隅，自成體系
趙教授熱情地邀我們來到了他的實驗室，不同於想像中的高大上，這是一座坐落於四牌樓校區西區一隅的低矮樓房。雖然看起來有些陳舊和簡陋，但是抬眼看到「國家重點實驗室」的牌匾，彷彿在提醒著我們，一項又一項重大科研成就、一篇又一篇高影響因子的論文，正是誕生於此。趙教授自豪地說，每年的國家重點實驗室成果統計，我們實驗室從來都名列前茅。
實驗室一樓是同學們平常做學習和工作的地方，裡面整整齊齊地擺放著各類實驗儀器和瓶瓶罐罐（沒錯，就是來之前想像中的高大上的樣子啦！
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實驗室一如既往的忙碌
趙老師介紹道，實驗室里總共30多位學生，除了生醫學院的同學之外，還有醫學院的同學加入，生醫學院的同學利用工學知識取得的一些實驗結果，再交由醫學院的同學進行生理和病理上的分析，二者相輔相成，可以說是自成體系，真正地將「生物」「醫學」「工程」相結合了。近兩年來，趙遠錦教授帶領他的團隊取得了一個又一個令人矚目的成果，當問到團隊建設方面有怎樣的心得時，趙教授謙虛地笑道，我最看重的其實是和諧。一個團隊只有內部和諧，才能朝著一個共同的目標去努力。
05
是科學家，也是「養生男孩」
沿著狹長的樓梯往上望去，彷彿若有光，復行數十步，豁然開朗：誰能想到，這裡竟有一處「世外桃源」呢！
陽光透過全玻璃的牆壁和天花板照進來，灑在腳下鋪設的嫩綠的草皮上，灑在一盆盆生機勃勃的綠植上，也灑在窗外蓊蓊鬱郁的古木上……彷彿一下子墮入了一場綠色的夢境里。案上擺放著一套典雅的茶具，角落裡還有一把藤製的躺椅，腦海中倏然浮現出兩個大字——「養生」。
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實驗室的「世外桃源」，據說這裡還曾收留過小貓
看到我們驚嘆的神情，趙教授眉眼間露出些許得意，「這些全都是我親自設計的！剛搬過來的時候，這裡幾乎是一片廢墟，對面還有很多居民堆積的垃圾。當時想著無論如何，也要讓自己每天生活的環境變得好一點，所以就開闢出了這麼一處地方來。」
說罷，他還帶我們從外面的樓梯爬上了天台，站在高處看著周圍蒼翠欲滴的樹木，更覺得可愛了。趙老師說原本還想把這裡建成一個空中花園，說起這些的時候，他的眼睛裡閃著光，活脫脫的大男孩的模樣。誰說工科男就一定沒有情調了，實名反對！我們趙教授不僅有情調，還是個「養生男孩」呢~
06
寄語東大學子
當問及趙遠錦教授有沒有想對立志科研的同學說的話時，他沉吟片刻，說，對自己的定位很重要，不要太低估自己，凡事總要試過了才知道。
以趙教授自己為例，他原本讀的是臨床醫學，通過考研以400+的高分考入了生醫學院。但是研究生入學以後，他很快就意識到臨床醫學和生物醫學工程的學習特點是相差巨大的，醫學偏重記憶力的考察，而生醫則偏重邏輯思維和實踐能力。那段時間，幾乎毫無實驗室技能和經驗的趙老師也覺得困難重重，但是他並沒有灰心，而是比別人更勤奮、更用心、泡在實驗室的時間更長，日子久了，原本的差距也早就已經追平，以至後來居上了。
正由於有這樣的切身體會，趙教授在培養學生時也格外注意這點。在他的實驗室里，是沒有本碩博之分的，只有進入實驗室的年限之分。即便是對本科生，也要求同碩博一樣，獨立開展課題進行研究。
同時，趙教授還非常鼓勵本科低年級的同學提早進入實驗室。因為剛進入大學那一兩年，正是滿懷憧憬與激情的時候，正是鬥志尚未消磨的時候，對立志於科研的學生而言，「激情」是最難能可貴的。考慮到生醫學院大一大二的同學在九龍湖校區，可以與其他院系的同學組隊，進入他們的實驗室參觀學習。
07
同學們心中的趙遠錦教授
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實驗室走廊中貼滿了學生照片，倍感溫馨
趙老師是個非常好的leader，他給團隊成員指引的科研方向十分明確，行事十分果斷，具有很好的科研眼光，也就是說他能站得更高看得更遠。在科研方面有很獨特的視角，能帶領大家少走許多彎路。
他善於捕捉學生的長處，因材施教，能根據學生的情緒和工作中細微變化及時調整大家的研究內容，能做到在有限的時間出更多的成果，使大家能事半功倍。
——2016級博士生
我要給趙老師打出十星級好評。除了其他人說的，我還要補充重要一點。趙老師在學生畢業方面總是顯得比我們更著急，幾乎所有同學都能按時畢業。另外，他還非常積極幫要畢業的同學聯繫工作去處或深造單位，使同學們少了很多後顧之憂。並且還他邀請已畢業的同學回來分享他們的經驗、參加組裡的活動，每逢過年過節經常有畢業的師兄師姐來看望大家，這是組裡最輕鬆愉快的時候。
——2016級碩士生
在趙老師的團隊也待了三年多了。我們都知道很多團隊都把自己的導師叫老闆，但是在趙老師的團隊，大家都直接叫他老師，算是一種很親切的叫法吧。
儘管趙老師為人親切和藹，但是在科研方面很嚴格的。趙老師能夠取得這麼多的成果，也是因為他對自己嚴謹，對科研嚴謹。趙老師能夠保證自己從周一到周天，只要有時間，就在實驗室看文獻、改文章。正是因為他對自己的嚴格要求，學生才深受感染，才能夠保持比較好的科研氛圍。
——2014級博士生
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同學們的話
採訪感想和我們的祝願
在輕鬆愉快的採訪過程中，不知不覺被趙老師的人格魅力所吸引。他言談幽默，妙語連珠，有著對科研的滿腔熱血，更有對生活的一片熱忱。真誠感謝趙教授可以在百忙之中接受我們這次採訪！
最後衷心祝願趙教授的科研道路
越發輝煌，再創佳績
部分新聞來自新華社，最新成果來源於http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaat2816
採訪：肖文錦 張筱萱 撰稿：肖文錦
攝影：齊琪 封面圖：崔景赫 排版：楊天羿 古青
本期由生物科學與醫學工程學院團委提供
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