肺器官芯片的構建及應用

劉 含,孫美好,李建生

(河南中醫藥大學,呼吸疾病中醫藥防治省部共建協同創新中心,河南省中醫藥防治呼吸病重點實驗室,河南 鄭州 450016)

呼吸系統疾病是影響公眾健康的重大問題之一,其患病率、死亡率呈逐年上升趨勢,已引起廣泛重視[1]。常見的呼吸系統疾病有新型冠狀病毒感染(corona virus disease 2019,COVID-19)、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)、特發性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)、肺癌(lung cancer,LCA)、肺動脈血栓栓塞(pulmonary thromboembolism,PTE)及哮喘(bronchial asthma,BA)等,相關臨床與基礎研究亟待加強,以建立有效的治療方法并揭示作用機制。

目前,有關呼吸系統疾病的研究多依賴于動物實驗和傳統的二維(2D)細胞培養技術,但這些技術仍存在一定的局限性(Fig 1)。動物實驗中,動物的個體差異以及實驗環境的不同均可能會導致實驗結果的不可重復[2],且動物與人類存在種屬差異,多數動物模型僅能模擬出疾病的某些特征;此外,動物實驗成本高、成功率低、周期長及復雜的動物倫理等問題限制了其發展(Fig 1A)。傳統的體外2D細胞培養缺乏人體組織和器官固有的復雜內環境特征(如組織結構、機械特性和功能特性等),不僅會影響細胞形態、基因表達、因子分泌、生理功能及細胞的增殖分化等行為(Fig 1B),對細胞內機械信號如流體剪切力、基質硬度等物理刺激及3D超微結構等的轉導也有較強的干預作用[3]。因此,目前亟需能更好地模擬出人體生理或病理發展進程的新的體外模型,以用于探索疾病機理及其防治措施的研究。

器官芯片是一門多學科交叉的新興技術,可在體外精準地模擬人體器官的結構和功能,它以微流控芯片為載體,借助水凝膠等生物材料于體外模擬細胞生存的三維微環境,并精確調控不同細胞的生長條件,實現細胞共培養,為研究細胞間相互作用等提供可靠平臺,對生命醫學及生物產業的發展具有長遠意義。與2D細胞培養技術和動物實驗相比,器官芯片具備高效率、分析快、模塊化、便攜性等優勢[4](Fig 1C),能更加準確地模擬人體對藥物或外界不同刺激所產生的反應。現已開發出多種類型的器官芯片并廣泛應用于生物醫學等多個領域,如肺、腸、心臟、腎、肝、血管和血腦屏障等。

肺器官芯片主要借助生物材料及微流控技術,體外重構肺部細胞的在體微環境及微結構,模擬肺部生理功能和病理過程,為肺部疾病的病理研究及防治提供可靠平臺。基于此,本文綜述現有肺器官芯片的制備及應用,分析現有模型中所存在的問題,并結合學科交叉進一步探討其未來發展方向,以期為后續肺器官芯片的開發及呼吸系統疾病的防治提供參考。

1 肺器官芯片相關制備技術

器官芯片主要是通過體外構建器官的基本功能單元來模擬在體器官的結構和功能,使其成為病理生理學研究的體外平臺。人體器官的基本單元尺寸較小,如肺泡的平均直徑約為200 μm,為模擬肺泡的功能結構,所構建的體外組織模型也應在微米級別。器官芯片技術首先利用微納加工等方法在不同基底材料上制作出微尺度的芯片結構,隨后在芯片微結構中植入不同種類的細胞或不同材料包裹的細胞團等構建出具有不同功能的模型。常用的芯片制備材料有水凝膠、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl Methacrylate,PMMA)、聚對二甲苯、玻璃、硅、紙等。在制備過程中,常根據選用的材料、芯片的結構和功能等采用不同的技術手段,如軟光刻法、熱塑法、3D打印技術、激光刻蝕法、微接觸壓印法和機械加工法等(Fig 2)。本文以肺器官芯片為例著重介紹以下幾種常用的芯片制備方法。

2.5 肺水腫芯片PE是指由于肺淋巴系統靜脈循環功能異常,引起肺內組織液從毛細血管向外滲漏,積聚在肺泡、肺間質和細支氣管內,造成局部水腫,進而導致肺部氣體交換功能障礙的病理現象。Huh等[16]在肺芯片上重構了肺泡-毛細血管的功能界面(Fig 3E),對肺水腫的誘發因素進行了探究。首先將臨床常規用量的白介素-2(IL-2)注入芯片微血管通道,觀察到液體開始從芯片的微血管通道流向肺泡通道,直至充滿整個肺泡通道,成功在體外重現了由IL-2毒性引發的PE的發生過程(Tab 1)。且在此過程中發現單獨的呼吸運動不會對肺泡-毛細血管屏障造成損傷,但在與IL-2的協同作用下,細胞間的連接被破壞,肺泡-毛細血管通透性增加,屏障功能受損,肺內組織液發生滲漏[17]。該芯片模型不僅能夠再現PE的病理過程,也為血管緊張素(angiotensin-1,Ang-1)、瞬時受體電位離子通道4(transient receptor potential vanilloid 4,TRPV-4)抑制劑和GSK2193874等新藥的研發提供了可靠的檢測平臺。

Fig 1 Characteristics of animal experiments,two-dimensional cell culture and lung-on-a-chip

1.1 軟光刻法軟光刻是指利用不同材料模板,通過光刻圖案法制備納米尺度的多層微結構,通常采用菲林掩膜,所制備的芯片結構屬于開口結構,該技術耗時短、工藝簡單,目前已廣泛用于與水凝膠材料相結合的器官芯片的制作。Huh等[5]使用軟光刻技術將PDMS澆注在模具上,隨后固化、剝離并與玻璃基底鍵合以制備肺器官芯片模型。如Fig 2A所示,該模型由上下微通道組成,被10 μm厚的柔性PDMS多孔薄膜(被膠原蛋白和纖連蛋白修飾表面)隔開,芯片上層是由人肺泡上皮細胞組成的氣體通道,下層是由人肺泡毛細血管內皮細胞組成的液體通道,兩種細胞共培養時可形成與人肺泡-毛細血管界面相似的氣液屏障界面。對薄膜兩側的真空腔施加周期性的作用力,可使柔性PDMS膜進行規律性的機械拉伸,模擬呼吸運動時肺泡內外壁的收縮狀態。Sellgren等[6]使用軟光刻技術加工制備了一個人體氣道芯片模型。該芯片由氣道上皮細胞、肺成纖維細胞和毛細血管內皮細胞組成,這些細胞分別位于納米多孔膜分隔的三個垂直且可單獨控制的腔室中。該氣道芯片展示了原代氣道上皮細胞的共培養模式,且模擬了被分隔開的不同種類細胞間的相互作用。

2.3 特發性肺纖維化芯片IPF屬于彌漫性間質性肺疾病,發病原因不明,好發于成人、病變局限肺臟,以進行性呼吸困難、肺功能下降為特征,該病病理機制復雜,目前尚無有效的防治方法。Felder等[13]借助微流控芯片于體外構建了IPF肺泡微損傷模型(Fig 3D),發現弱酸環境能破壞肺泡上皮屏障的完整性,這可能是導致IPF發生的重要原因之一(Tab 1)。Sellgren等[6]借助原代人肺細胞構建了一個含間質成分(單層肺成纖維細胞)的纖維化體外模型,該芯片采用三通道結構,作者首先將上皮細胞植入上腔內,培養10 d后將成纖維細胞接種至中央腔室,培養1 d,最后將血管內皮細胞引入芯片下腔,模擬了完整的氣液界面,并測定了芯片上細胞黏膜的分化程度及其所模擬的屏障功能。該模型通過在芯片中引入肺成纖維細胞表明了在肺纖維化芯片中引入肺間質的可能性,同時為深入研究成纖維細胞表型轉化機制提供了新平臺。

1.2 熱塑法熱塑法是制備結構復雜、獨立、閉合的微流控芯片的常用方法之一。該技術通過加熱加壓的方式使模型表面緊密接觸,利用分子間作用力使其發生鍵合,形成含微流道的閉合結構。熱塑法簡單便捷,但加工過程中的高溫環境可能會導致微流控芯片產生熱變形,且鍵合強度較低,容易開裂,亦可能導致后續實驗結果產生誤差。Humayun等[7]借助熱塑技術采用先分部制作,再膠粘鍵合封裝的方法制備了肺氣道芯片(Fig 2B),該芯片由氣道上皮細胞、平滑肌細胞以及懸浮的水凝膠層組成,模擬了氣道上皮細胞和平滑肌細胞之間的相互作用,且其中的水凝膠層可拆卸,以用于進一步探索病理機制或進行藥理實驗,為肺氣道疾病的研究提供了支持。

當前我國計算機技術與過去相比已經有了明顯的變化，無形之中也加快了我國進入知識信息時代的進程。電子計算機技術與網絡信息技術的廣泛使用不僅降低了機關事業單位的工作成本，而且也很大程度的提升了工作的效率與質量，實現了時間的合理運用。所以，把網絡信息技術與電子計算技術運用到機關事業單位的管理會計系統中是非常有必要的，但需要有專業的機構人員來進行培訓，從而實現管理會計的現代化與專業化，實現我國機關事業單位的可持續發展。

Huh等[16]在構建的PTE芯片中測試了Ang-1在防治IL-2導致的血管滲漏中的作用,發現Ang-1與IL-2聯合用藥可以完全阻斷IL-2誘導的血管滲漏,且Ang-1能夠減少機械應力所造成的細胞間隙。Benam等[12]及Jain等[18]通過驗證了PM2(TRPV)在人體內的抗血栓作用,PM2是PAR-1抑制劑,通過阻止PAR-1激活血小板,降低血栓及炎癥反應的發生,為臨床肺動脈血栓的抗炎治療提供了新思路。Hassel等[14]利用NSCLC芯片探究了呼吸運動對腫瘤細胞生長擴散的影響,分析了不同的酪氨酸激酶抑制劑(TKIs)在不同的微環境下對腫瘤細胞繁殖的抑制作用及相關機制。此外,肺器官芯片還能夠結合流體剪切力、動態機械應力等模擬肺的呼吸功能,為細胞提供動態3D微環境。在肺的血管滲漏過程中[21],肺的異常呼吸激活TRPV4,引起肺泡-毛細血管屏障的通透性增加,導致肺內血管滲漏。在循環機械應變存在的情況下,GSK2193874(TRPV4通道抑制劑)能夠顯著抑制IL-2誘導的血管通透性增加。肺器官芯片憑借其高通量、低成本和一體化等優勢已廣泛用于藥物的療效評價等領域,促進了新藥研發及藥物進入早期臨床試驗階段的進程。

2 常見肺器官芯片

肺器官芯片是基于器官芯片技術,結合肺部疾病的病理特征及肺部特征性功能開發出的體外模型,能模擬肺泡(Fig 3A)、肺泡-毛細血管屏障(Fig 3B)、小氣道及氣道肌肉組織(Fig 3C)等結構,用以探索呼吸系統疾病的發病機制和防治方法。本文將結合常見的呼吸系統疾病來介紹不同肺器官芯片模型的構建及應用。

Fig 2 Preparation technology of lung-on-chips

2.1 新型冠狀病毒感染芯片COVID-19自暴發以來,嚴重威脅人類健康和全球經濟。新冠病毒具有高傳染性、高隱蔽性和易變異性等特征,不僅損害肺臟,還可以對人體的免疫系統及其他器官造成不同程度的損傷[9],因此亟需有效的抗病毒藥物及疫苗。肺器官芯片的出現為COVID-19防治研究提供了體外模型。秦建華團隊[10]借助器官芯片技術構建了人體肺泡模型(Fig 3D),可在體外模擬出由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2型(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2)誘導的肺損傷和免疫反應(Tab 1)。該芯片由上層肺泡腔和下層血管腔組成,中間由ECM涂層包裹的多孔薄膜隔開,作者將SARS-CoV-2病毒引入上皮通道,將人類免疫細胞引入血管通道,實現人體肺泡上皮細胞、微血管內皮細胞及免疫細胞的共培養,模擬COVID-19的發生發展過程。研究發現,SARS-CoV-2主要在上皮細胞層中發生增殖和感染,且上皮細胞對病毒的敏感性高于內皮細胞;另外,兩種細胞對SARS-CoV-2產生的免疫應答反應也不同,上皮細胞做出了先天性免疫應答(如INF-I等信號通路的激活),而內皮細胞中JAK-STAT信號通路被激活,分泌的細胞因子促使免疫細胞聚集在感染部位,進而引發肺部的炎癥反應。此外,Zarkoob等[11]在膠原蛋白和彈性蛋白構建的肺泡-毛細血管氣血屏障模型中引入了SARS-CoV-2病毒和流感病毒,用以探究二者的感染率及感染模式(Tab 1)。同時,作者使用不同的抗病毒藥物進行測試,證明了該芯片作為病毒感染的檢測平臺及抗病毒藥物篩選平臺的可靠性。

2.2 慢性阻塞性肺疾病芯片COPD是臨床常見的氣道慢性炎癥性疾病,發病機制復雜,對患者生命安全造成重大威脅,且當前臨床上治療COPD的藥物(如糖皮質激素、β2-腎上腺受體激動劑及吸入性抗病毒劑等)均存在一定的局限性,不能有效阻止疾病進程和肺功能的下降。肺器官芯片通過對肺泡上皮細胞和血管內皮細胞進行共培養,能于體外再現抗炎藥物抑制COPD炎癥反應的具體過程(Tab 1)。Benam等[12]借助COPD患者和健康人群的肺氣道上皮細胞分別構建了病理性和健康的肺小氣道芯片模型(Fig 3F),采用聚肌苷酸胞苷酸poly(I:C)和脂多糖內毒素(LPS)分別刺激健康或COPD小氣道芯片,模擬體內的病毒感染過程,發現與對照組相比,COPD模型中能觀察到較多的巨噬細胞集落刺激因子(M-CSF)和白介素-8(IL-8),這兩種因子均在COPD患者的氣道炎癥發生過程發揮了重要作用,并且發現poly(I:C)能夠促進兩個模型中趨化因子IP-10和重組人趨化因子CCL5的分泌,這些數據都為臨床研究COPD的防治提供了重要的參考。

Researchers have sought to understand why all H. pylori infected people do not develop gastric cancer.

Tab 1 Summary of organ chips for respiratory diseases

2.4 肺癌芯片LCA是目前對人群健康和生命威脅最大的惡性腫瘤之一,根據其組織病理學特點,可將其劃分為小細胞肺癌和非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer,NSCLC)。Hassel等[14]構建的NSCLC肺癌模型,在研究不同微環境中癌細胞的增殖、分化及轉移等行為的同時,觀察到呼吸運動不僅影響癌細胞的轉移及對血管通道的入侵(Tab 1)(Fig 3E),其帶來的周期性機械拉升能夠顯著抑制腫瘤細胞的生長。與此同時,作者發現NSCLC腫瘤細胞在人肺泡芯片中的增殖速度比在氣道芯片中快,此結果與患者體內癌變的進程相似,為癌癥的防治研究提供有力支持。此外,Yang等[15]利用靜電紡絲技術,制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly lactic-co-glycolic acid,PLGA)納米纖維薄膜,并以此作為器官芯片中細胞生長的支架材料,在對人非小細胞癌細胞(A549)、人胚肺成纖維細胞(HFL1)和人臍靜脈內皮細胞進行共培養時,發現A549能夠引起內皮細胞的凋亡,進而導致腫瘤細胞侵襲,這一裝置便攜、高效,可作為后續開展肺癌相關的個性化醫療等領域研究的新平臺。

案例1：“農田”。思考：如果植物全都枯死，請用能量流動的原理來解釋最先受到影響的是哪些生物？其他生物會受到影響嗎？

此外,研究人員還借助該芯片分析了蛋白酶激活受體-1(protease activated receptors-1,PAR-1)對內皮細胞活化和血栓形成過程中的抑制作用,為臨床研究PTE的形成和防治方法提供了研究思路。

瀝青路面坑槽破損部分經過開槽成型后，其坑槽壁面與坑底表面石料直接裸露在空氣中，若直接填入冷補料，將導致冷補料與舊路面材料之間黏結力不足，從而形成壁面縫隙，影響修補路面的抗水損害能力[4]。因此，坑槽在開挖與清掃結束后應噴灑適量的改性乳化瀝青作為黏結層，以提高新舊料界面的黏結力。

Fig 3 Common lung-on-chips

2.6 肺動脈血栓栓塞芯片PTE是指來自靜脈系統或右心的血栓阻塞于肺動脈或其分支,引起以肺循環和呼吸功能障礙為特征的疾病,是臨床常見的肺動脈栓塞之一。Jain等[18]將人原代肺泡上皮細胞引入芯片上層通道,同時將人血管內皮細胞貼附于下層血管通道的4個表面以模擬3D微血管通道,建立起研究血栓及其炎癥反應的體外芯片發現(Tab 1),在由LPS誘導的急性肺損傷的血栓形成過程中,LPS并不能直接激活內皮細胞,而是刺激上皮細胞分泌促炎因子,激活血管內皮細胞,促使血管內部產生炎癥反應生成血栓。

2.7 支氣管哮喘芯片現代醫學普遍認為BA是由于基因和環境共同過敏性氣道炎癥反應,且目前尚無根治方法,只能在一定程度上緩解癥狀。肺芯片通過在體外模擬人體炎癥反應過程(Fig 3F),為BA的發病機制及防治方法的研究帶來了新的方向(Tab 1)。Huh等[6]通過在芯片的肺泡通道中引入促炎介質(腫瘤壞死因子TNF-α、IL-8或大腸桿菌等)激活內皮細胞,促進細胞間黏附因子-1(intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)的分泌,使中性粒細胞大量集聚在炎癥部位,再現了肺部的先天性免疫應答過程并且發現。Benam等[12]憑借的肺小氣道芯片模型發現,白介素-13(IL-13)可直接作用于氣道上皮細胞,誘發氣道炎癥反應,導致杯狀細胞增生,氣道黏液高分泌,氣道纖維化及氣道高反應性,且后續可借助該結構對BA的發病機制及療效評價進行深入研究。此外,Nesmith等[19]通過在柔性薄膜上植入支氣管平滑肌細胞構建了人體氣道肌肉組織芯片模型,模擬了BA中支氣管的擴張和收縮,將平滑肌細胞暴露于IL-13下激活膽堿能激動劑,以引起芯片上肌肉層的收縮和柔性薄膜的彎曲,并驗證了臨床使用的毒蕈堿拮抗劑和β受體激動劑能有效緩解支氣管哮喘引起的氣道肌肉緊張,成為新藥檢測的高通量、便攜、可靠的測試平臺。

第十三次：1997年“中華人民共和國國內貿易部軍用糧票”（“貳拾伍仟克”“伍拾仟克”“貳佰伍拾仟克”“伍佰仟克”版）。

3 肺器官芯片的應用

作為融合生物材料、分子化學、生物物理等多學科交叉為一體的仿生微系統,肺器官芯片在模擬肺部微環境的同時,還能將多種刺激因子如納米顆粒、吸入性藥物等直接引入芯片,進行毒性測試和藥物篩選,且通過培養不同患者群體的細胞能夠制備個性化的醫療芯片(Fig 4)。肺器官芯片的低成本、便攜性、高仿生性及可調控性等優勢使其廣泛應用于呼吸系統疾病各領域。

Xu等[20]建立了一個三通道肺芯片模型,使用不同濃度(0～800 mg·L-1)的PM2.5培養基對芯片進行培養,模擬PM2.5侵襲肺部過程,研究發現,低濃度的PM2.5所造成的肺毒性有限,但高濃度的PM2.5(>200 mg·L-1)能夠顯著增加上皮、內皮細胞中活性氧(reactive oxygen species,ROS)的生成、凋亡及炎癥反應,并進一步研究了暴露于PM2.5下免疫細胞和微組織之間的相互作用。Huh等[5]將含有二氧化硅顆粒的溶液直接覆蓋至芯片的上皮細胞層,模擬肺吸入空氣中的納米粒子的狀態,同時施加周期性的機械應力模擬肺的呼吸運動,通過檢測ICAM-1的表達等研究二氧化硅納米粒子的毒性及其引發的肺部炎癥。Zhang等[21]探究了不同濃度納米顆粒(TiO2-NPs和ZnO-NPs)對肺上皮細胞和內皮細胞的毒性,提示納米粒子可能通過影響人體內氧化應激導致細胞異常凋亡及屏障受損,并通過觀察細胞形態、緊密連接蛋白的表達、ROS的生成以及內皮細胞的凋亡等證明納米粒子對上皮、內皮細胞表現出劑量依賴性的毒性。

Fig 4 Application of lung-on-chips(precision medicine,disease model construction,toxicity detection and pharmacodynamical evaluation picture materials all come from network)

3.1 毒性檢測肺作為氣體交換的主要場所,常受到各種吸入性顆粒(如PM2.5、香煙煙霧和空氣中氣溶膠顆粒等)的毒性侵擾。肺器官芯片能將吸入性物質毒性的發生、發展過程與肺部的損傷、應答過程整合在微芯片系統上,實現系統性的毒理學檢測。目前,肺器官芯片在針對PM2.5、空氣中的納米顆粒、香煙煙霧等多種吸入性顆粒的毒理學檢測中已取得顯著成果,成為評估生態環境中多種物質對肺造成的毒性作用新平臺。

改革開放進入“深水區”，面對越來越難啃的“硬骨頭”，以習近平同志為核心的黨中央，帶領全國人民涉險灘、攻難關，堅定不移將改革開放進行到底。正如今年10月，習近平在廣東考察調研時向世界宣示：中國改革開放永不停步！下一個40年的中國，定當有讓世界刮目相看的新成就！

隨著GPS技術在我國房產行業中的廣泛應用，我國房產企業的測繪管理工作已經基本實現信息化管理，信息管理的整體水平正在不斷提高。而隨著人們住房需求的不斷提高，信息化管理系統成為解決問題的主要途徑，傳統的房產管理方式已經難以滿足社會發展的需求。因此，技術人員必須建立完善的房產信息管理體系，建立房產管理的數據庫，并將GPS技術有效地應用于房產測繪中的各個環節，提高自動化管理水平，促進我國房產測繪事業的全面發展。

3.2 藥效藥理評價目前藥物的藥效藥理評價主要通過借助2D細胞實驗和動物實驗構建不同的疾病模型,測試給藥前后的變化,來驗證藥物的有效性。但這種傳統的手段投入高、風險大、周期長,還存在倫理、動物福利等問題,并且臨床實驗效果并不理想。肺芯片既能模擬肺細胞的微環境、再現肺的特征性功能結構,又能實現高通量、高效率、高靈敏且直觀可控的檢測模式,已成為藥效藥理檢測的新平臺。

1.3 3D打印技術3D打印技術是一種一體化成型的方法,采用逐層打印的方式,無需借助模具,只需將設計好的模型數據導入至計算機軟件,隨后連接3D打印機即可打印出多種3D微結構。該技術操作簡單、精度高、成本低、一體化成型等特點,能夠制備出較復雜的3D結構,較大程度地模擬在體細胞微環境,在器官芯片等領域有著廣闊的應用前景。常見的3D打印技術有微擠壓打印、熔融沉積成型、光固化成型、噴墨打印等。Park等[8]借助該技術制備了包含血管網絡的肺氣道芯片模型(Fig 2C),使用脫細胞的細胞外基質作為生物墨水進行3D打印,將聚己內酯(polycaprolactone,PCL)、肺成纖維細胞(lung fibroblasts,LFs)、血管內皮細胞(ECs)和PDMS整合在血管芯片上,該芯片整體由PCL材料打印,包括一個ECs中央腔室和兩側的LFs生物墨水腔室,中間用100 μm高的PCL柱隔開,芯片表面(除去微通道內部)涂PDMS涂層,與上層氣道芯片相連,構成了一個能與血管網絡進行功能性連接的肺氣道芯片模型。

3.3 精準醫療決策精準醫療是指基于患者的臨床診療信息,利用基因檢測、組學、生物工程等技術,實現精準到分子水平的診斷,為患者制定出個性化的疾病防治方案。器官芯片能夠對患者個人或群體的組學數據、健康數據和臨床數據等進行挖掘,建立起個性化的疾病模型,明確藥物對人體的敏感性,制定以患者需求為導向的防治手段。

肺器官芯片可以在微系統上培養特定患者群體的細胞或組織樣本,建立特定模型研究疾病并對藥物進行測試。Xu等[22]開發了一種基于微流控芯片的體外3D細胞共培養模型,通過培養不同來源的肺癌細胞系或原代細胞,測定它們對不同抗癌藥物的敏感性,進而精確篩選出與合適的劑量、劑型及單一或聯合用藥的方案,便于臨床醫務人員能根據患者病情制定最佳治療方案,達到療程短、精度高、療效好等效果。肺芯片制造簡單、檢測速度快、成本低,還能夠適用于不同的肺癌細胞系或原發性癌細胞,為臨床肺癌方案的篩選提供保障,目前已用于篩選優化肺癌的化療策略,減輕癌癥患者的痛苦等,未來有望逐步建立呼吸系統疾病的個性化防治平臺,成為臨床疾病防治策略研究的有力工具。

4 不足與展望

近年來,肺器官芯片已成為世界范圍內醫學研究的熱點,并取得了不錯的成績。然而,由于肺部結構的復雜,肺芯片在模型設計、材料選擇、仿生性能等方面仍存在諸多挑戰。

首先,目前肺器官芯片主要集中在對肺泡、細支氣管及肺泡-毛細血管屏障等功能單位的模擬,而呼吸系統疾病的發生并不僅僅局限于這些部位,基于上呼吸道如鼻、咽、喉等其他部位的疾病模型仍有待研發。第二,芯片制備常用材料的PDMS,某些特性(如疏水性、對小分子材料具有高吸收率等)可能會對實驗產生影響,致使實驗結果產生誤差[23],因此要綜合考慮生物兼容性、滲透性及制作工藝等選擇不同的材料,如PMMA、聚苯乙烯等,降低材料本身對實驗的影響。第三,芯片系統中培養基的體積遠高于人體內組織液的體積,細胞的分泌物和代謝產物被不斷稀釋。第四,細胞在芯片系統中的鋪展情況也會對細胞行為造成影響[24];第五,類器官作為近年來新興的體外模型之一,是基于3D體外細胞培養系統建立的、由人體干細胞或器官祖細胞發育而來的與來源組織或器官高度相似的體外細胞模型,能模擬出組織的關鍵結構和功能,但類器官也存在一定的局限性,如缺乏血管網絡、結締組織和免疫細胞等微環境。基于此,類器官可與器官芯片相結合,借助微流控技術調控干細胞的分化及自組裝,以克服類器官內營養物質輸送困難等問題開發類器官芯片[25],可為臨床上不可逆的肺損傷疾病的有效治療提供新的思路。最后,單純地依靠分子生物學等實驗結果已不能滿足快速發展的肺器官芯片領域,與先進的生物傳感器、動態檢測平臺的聯合將成為器官芯片未來發展的重要趨勢。

肺器官芯片作為一種開創性的體外3D仿生模型,不僅成功構建了多種呼吸系統疾病的病理模型,精準模擬了細胞間的相互作用,再現了疾病的病理過程,還推動了毒性測試、藥物研發、精準醫療等領域的發展。然而,如何實現肺芯片的標準化高通量制造、如何利用該技術實現完整的肺器官模擬而不只是特定結構的模擬以及如何將肺器官芯片與人體其他器官芯片建立聯系等都是未來發展需要重點探索的方向。