对抗呼吸系统传染病，探讨器官芯片技术在治疗策略中的潜力

呼吸系统及其肺部组件在人体生理功能中扮演着至关重要的角色。在过去数十年，研究学者们主要利用动物模型探究呼吸系统传染病的生物学机制和治疗策略。尽管如此，临床药物研发过程中的高风险失败率、从动物实验到人类应用的数据转化效率不足，以及物种间生物学差异和针对人类的特异性病原体问题，均凸显了现有研究模型的局限性。

因此，开发更为精密且能够模拟人类生理条件的呼吸系统和肺部研究模型非常有必要，COVID-19的大流行，也进一步加速了这一研究领域的创新与进步，以期提供更贴近人类生理状态的研究平台，优化药物研发流程，增强人类对呼吸系统传染病的应对能力。 

本文结合Doris Wilflingseder教授及其团队在《European Journal of Immunology》杂志上发表的“The breathtaking world of human respiratory in vitro models: Investigating lung diseases and infections in 3D models, organoids, and lung-on-chip”的研究综述，以及Kazuo Takayama教授及其团队在《BBA - Molecular Cell Research》杂志上发表的“Organ-on-a-chip models for elucidating the cellular biology of infectious diseases”，系统介绍类器官和肺器官芯片等体外呼吸道模型，并举例如何使用肺芯片进行肺结核感染的研究。

研究进展

呼吸道上皮细胞主要由棒状（club）细胞、纤毛（ciliated）细胞、基底（basal）细胞和杯状（goblet）细胞组成。淹没培养、空气-液体界面 (ALI) 培养、肺芯片、肺类器官等方法可以用于培养来源于人呼吸道的鼻、气管、支气管、小气道和肺泡的上皮细胞。

1、肺类器官模型

类器官（organoids）是自我组织形成的3D结构，能够重现其对应器官的基本属性。肺类器官可以在ALI的transwell中分化，或以单层形式进行2D淹没培养。ALI培养的肺类器官由纤毛、杯状和基底细胞组成，形成近端型假复层粘膜纤毛上皮。而单层培养导致远端型特征，主要是AT1细胞。在悬浮培养无细胞外基质的环境中可以生成顶端向外的类器官，并进一步分化形成纤毛和粘液。这样顶端向外的类器官非常适合于高通量测试顶端面给药的药物，例如抗病毒药物。

肺类器官

左图：基底向外；右图：顶端向外

类器官在Geltrex中以基底向外方向（左）培养或分化，在悬浮液中以顶端向外方向分化（右）。2周后，对类器官进行粘液生成（MUC5AC）、细胞核（Hoechst）、纤毛染色（乙酰化微管蛋白）和角蛋白5（KRT5）。

2、微生理系统模型和肺芯片

微生理系统（microphysiological systems）通过相互作用的器官芯片（organs-on-chip）或相互连接的3D组织构建出更具生理相关性的模型，尤其适用于研究病原在屏障部位的作用。微生理系统可以包含呼吸道/肺微环境的物理、机械和组织特征，通过动态的生物力学特性模拟呼吸、血管化过程。还可以结合微流控设备实现灌注，促进纤毛生成和粘液产生。

肺芯片模型由原代细胞、细胞系、多能干细胞（PSCs）或成体干细胞（ASCs）在微型器件上形成复杂3D模型系统，可以再现气流和呼吸引起的剪切和机械应力，并用于模拟各种人类疾病，如肺水肿、肺癌或纤毛病。

微流控装置中微通道的横截面

呼吸系统器官芯片在结核研究中的应用

结核病（TB）由结核分枝杆菌（Mtb）感染引起，肺泡巨噬细胞是最早感染结核分枝杆菌的细胞。虽然大多数mtb感染患者不表现出任何结核病症状(潜伏性结核感染)，但大约5 - 10%的mtb感染患者会发展为活动性结核病，

研究者为了探索活动性结核的发病机制，使用集成了膜的微流控设备构建了包含小鼠原代肺泡上皮细胞、原代肺微血管内皮细胞、骨髓来源的巨噬细胞的小鼠肺芯片模型，并在模型上感染Mtb，研究活动性肺结核的发病。

作者用这个模型发现，减少表面活性蛋白的产生可以促进Mtb的感染，证明使用肺器官芯片模型有助于揭示结核的发病机制。这些研究为了解外来物质如何通过呼吸系统侵入人体并导致组织损伤提供了深入的见解。

在药物和疫苗开发中，类器官和肺芯片技术被用于模拟人类肺部环境，在肺部疾病的病理机制研究、评估药物反应和测试疫苗效果中发挥了重要作用，这些体外模型有助于减少或替代动物模型进行药物和疫苗测试。

文献索引：

1、Dichtl, S., Posch, W., & Wilflingseder, D. The breathtaking world of human respiratory in vitro models: Investigating lung diseases and infections in 3D models, organoids, and lung-on-chip. European Journal of Immunology, 2024 Mar; 54(3), e2250356. doi: 10.1002/eji.202250356. PMID: 38361030

2、Yokoi, F., Deguchi, S., & Takayama, K. Organ-on-a-chip models for elucidating the cellular biology of infectious diseases. Biochimica Et Biophysica Acta. Molecular Cell Research, 2023 Aug; 1870(6), 119504. doi: 10.1016/j.bbamcr.2023.119504. PMID: 37245539

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