肺器官芯片——呼吸系统疾病模型和药理研究的未来

一、前言

与传统的体外模型相比,肺芯片模型模型可以获得更精确的反馈。传统的药物试验方法是用动物模型来评价药物对新药的药理和毒理学反应,但这些反应并不能直接反映人体的生理反应。在这次案例中,科学家们将讨论当前和未来的肺芯片在呼吸系统中的应用。此外,肺芯片的应用弥补了目前用于呼吸道疾病建模和药物开发的传统体外模型的局限性。肺芯片是目前呼吸道疾病体外建模一大新的研究重点,具有广泛的应用前景。

二、传统模型的局限性

不同组织细胞在三维结构中相互作用,构成人体的功能性组织和器官。然而,大多数体外模型是二维 (2D) 的,不能模拟组织和器官的固有复杂性,所以这些标准的 2D 模型不能重现人体组织的结构、力学和功能特性。

例如,在大多数 2D 细胞培养模型中,只有一种细胞类型在培养皿或孔板上培养,这并不能复制或模拟细胞与其他类型细胞接触的体内细胞微环境。因此,在这些模型中,单培养影响细胞的形态、细胞分裂方式、基因表达、细胞分泌和生理功能等。此外,在二维培养中,细胞极性的丧失也会影响细胞内重要的信号通路,例如与细胞增殖相关的信号通路。传统的细胞培养方法也不会将细胞暴露于生理机械信号,包括流体剪切应力、应变和压缩等相关的物理刺激。而这些机械因素是细胞增殖、生长和运动的生理过程,以及组织形态发生和器官发育必不可缺的。

因此,为了更可靠地模拟复杂的组织结构和功能,需要更好的体外模型动物被用作体外细胞培养模型,用于更具体的疾病研究、临床前药物开发等。动物模型的出现给生命科学的研究带来了新思路,但是动物研究具有不一致性经常延误医学进展,致使治疗病人不够及时有效。而且由于实验室实验程序和饲养动物的环境条件会发生一定程度的变化、生理过程中也存在种间变异以及遗传等因素,导致动物体内环境会出现异常,在动物模型中有价值的发现和治疗并不一定能证明对人类同样有用。

三、器官芯片的定义及发展前景

上述传统 2D 模型和动物实验模型的局限性,推动了大量研究向替代模型的发展。器官芯片逐渐就成为弥补这些局限性的不二选择。器官芯片中的微流控芯片是利用微工程技术在三维 (3D) 系统中培养细胞,也包括培养类器官。类器官是器官特异性的多细胞 3D 培养,概括了相应器官的一些关键结构和功能特性。

应用于生物医学研究的微流控芯片已迅速发展,例如器官芯片就是一种用于细胞培养的微流体装置,它由连续灌注的腔室组成,这些腔室由活细胞组成,以再现组织的生理功能。在肺类器官方面,广泛的研究已经从各种来源开发了肺类器官,包括人类多能干细胞 (hPSCs) 、原代呼吸细胞和旨在模拟肺的细胞系发育、再生和疾病等。

与传统的 2D 细胞培养系统相比,器官芯片设备能更好地复制微架构、微环境和组织-组织界面,帮助研究复杂的人类器官-细胞生理过程,这是一大研究创新与突破。肺器官芯片细胞培养装置可复制和模拟人肺的 3D 微体系结构和微环境、呼吸运动以及人肺的主要生理功能,已经显示出研究人类的生理和疾病的病因的潜力。

四、器官芯片技术

1、基于光刻的微加工技术

研究人员首先使用 lithog-raphy-based 微制造技术设计了一种聚合物聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 肺芯片模型。该模型由上下微通道组成,由一层薄薄的 (10μm) 柔性微孔胞外基质 (ECM) 包被膜隔开(如图的A、B)。

在纤维连接蛋白或胶原蛋白包被的多孔膜上,其上半部由培养的人肺泡上皮细胞组成,下半部由培养的人肺毛细血管内皮细胞组成。当肺泡细胞融合,将上通道的介质吸出,这样就与肺泡细胞形成了一个气液界面,下通道维持培养基连续流动。柔性 PDMS 侧壁有规律的机械拉伸和中央多孔膜与粘附的细胞层拉伸,模仿了生理呼吸运动。

使用相同的技术,其他研究人员设计了另一个包含上皮细胞气道的微流控肺模型。将这些细胞分别培养在气液界面、肺成纤维细胞和微血管内皮细胞三个垂直堆叠的腔室中,每个腔室由纳米孔膜隔开 (图D) 。

2、热塑性塑料技术

器官芯片领域相关研究人员还开发了一种肺芯片上气道的热塑性芯片 (图C) 。芯片复制模拟了肺气道微环境中光滑肌肉细胞 (SMCs) 、上皮细胞 (ECs) 和支持 ECM (胶原、基质或两者结合)之间的相互作用。该芯片含有气液界面培养的上皮细胞,悬浮水凝胶层代替了培养 SMCs 的膜和介质物。该装置可拆卸提取悬浮水凝胶进行进一步分析,可用于研究 SMC、EC 和细胞基质在慢性肺部疾病 (CLDs) 发展中的相互作用。

参考文章:
Lung-on-a-chip: the future of respiratory disease models and pharmacological studies
Biotechnology, 40:2, 213-230, DOI: 10.1080/07388551.2019.1710458

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