在人工智能时代，生物医药研究领域正在发生范式变革。近日，上海交通大学医学院附属新华医院苏佳灿教授团队联合上海大学团队，在生物材料领域国际顶尖期刊《生物活性材料》（Bioactive Materials）发表综述论文，首次系统性地提出“人工智能虚拟类器官”（AIVOs）这一前沿概念，旨在破解生物类器官面临的问题，打造与患者器官高度一致的“数字孪生”系统。
“人工智能虚拟类器官”登上《生物活性材料》杂志。
所谓类器官，是利用成体干细胞或多能干细胞进行体外三维培养，所形成的具备一定空间结构的组织类似物。类器官的“类”字意味着，它并不是真的人体器官，但是在结构与功能上能模拟真实的器官，并能够进行长期的稳定传代培养。近年来，类器官技术成为生物医学的明星，它虽然能模拟人体组织，但也面临着批次差异大、实验成本高、难以大规模自动化这三个瓶颈。更重要的是，现有的类器官实验观测手段大多是破坏性的“终点检查”，无法实现对生命过程的实时、持续监测。
为打破这些瓶颈，研究团队提出了打造“人工智能虚拟类器官”的构想。“如果你想测试一种新药对癌症患者的效果，不再需要反复在病人身上试验，也不必受限于实验室里培养周期长、差异性大的实体类器官。”苏佳灿教授说，“未来，我们在电脑里构建一个与患者器官高度一致的虚拟类器官，千万次药物模拟测试可能只需要几分钟。”
根据构想，AIVO是一套涵盖“数据—模型—交互”三层架构的复杂数字系统，有望为每位患者提供一份可计算、可预测、可交互的“生命蓝图”。为模拟生命系统复杂的动力学过程，研究团队将目光投向生物学的最小单元——细胞。如果把虚拟类器官比作一栋数字大楼，那么虚拟细胞就是建大楼的砖块。他们根据功能，将这些“数字砖块”细化为虚拟干细胞、虚拟功能细胞（如免疫细胞、代谢细胞）和虚拟肿瘤细胞。
引入“人工智能虚拟细胞”（AIVCs）架构后，AIVO系统将多组学数据、高分辨率影像和临床指标融合进统一的数字空间，通过“数据层”收集信息，“模型层”进行深度学习模拟，最终在“交互层”实现与现实生物体的闭环联动。这意味着，每一个数字细胞都被赋予了“生命力”，它们能模拟真实的细胞分裂、分化、信号传递，甚至是在药物打击下的耐药反应。
开发“人工智能虚拟类器官”的过程
未来，AIVO将展现出巨大的应用潜力，尤其是在精准医疗领域。“这像给医生配备了一个临床决策导航仪，不仅能告诉医生哪种药更有效，还能预判最佳的给药剂量和给药序列，最大限度地减少患者试错成本。”苏佳灿说。
在骨科研究中，这种系统也极具潜力。通过构建“虚拟骨类器官”，科学家可以模拟在不同机械载荷、支架材料下骨细胞的生长情况，为骨质疏松、骨折愈合等疾病的个性化治疗提供精准方案。
这项研究的意义不仅在于提出一种新的计算模型，更在于预示了未来医学研究范式的变革。苏佳灿表示：“AIVO并不是要取代实体的类器官实验，而是与之形成互补。它能先在虚拟空间进行大规模的筛选和预判，再由实体实验进行精准验证，从而大幅缩短药物研发周期。”
据悉，这项研究得到了国家自然科学基金等资助。研究团队目前致力于推进“人工智能虚拟类器官”平台的标准化建设和合规性评价。未来3—5年内，随着数据的不断积累和算力提升，这种虚拟类器官有望成为临床精准用药的“金标准”，让很多患者拥有专属于自己的“数字医疗管家”，享受真正的个性化精准治疗。
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