一種復(fù)制肺泡結(jié)構(gòu)和功能的人類肺部芯片

伴隨呼吸產(chǎn)生的肺部不斷擴(kuò)張和回縮運(yùn)動(dòng)不僅僅保障基本的肺部功能，如促使空氣交換增強(qiáng)液的產(chǎn)生以及維持肺部組織的結(jié)構(gòu)，它還能產(chǎn)生針對(duì)入侵病毒的免疫反應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，哈佛大學(xué)威斯生物啟發(fā)工程研究中心（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering， Harvard University，簡(jiǎn)稱Wyss研究中心）開(kāi)發(fā)了一種復(fù)制肺泡結(jié)構(gòu)和功能的人類肺部芯片。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用模擬呼吸運(yùn)動(dòng)的機(jī)械力可以通過(guò)激活保護(hù)性的先天免疫反應(yīng)來(lái)抑制流感病毒的復(fù)制。他們還發(fā)現(xiàn)了幾種藥物，可以用于減少肺泡感染過(guò)程中炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生，這可能有助于治療肺部過(guò)度炎癥。該研究的相關(guān)成果以論文形式發(fā)表在Nature Communications。

Wyss研究中心技術(shù)開(kāi)發(fā)研究員Haiqing Bai博士表示：“這項(xiàng)研究證明了呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)人類肺功能如感染免疫反應(yīng)的重要性，以及我們開(kāi)發(fā)的人類肺泡芯片對(duì)于模擬肺部，尤其是更易受感染的肺部深處反應(yīng)的有效性。該模型還可用于臨床前藥物測(cè)試，以確保候選藥物確實(shí)能減少功能性人類肺組織中的感染和炎癥?！?/p>

為了明確這些深肺空間如何產(chǎn)生針對(duì)病毒入侵者的免疫反應(yīng)，研究人員在肺泡芯片中模擬了流感感染過(guò)程。其具體操作方法如下：首先在器官芯片的兩個(gè)平行微流控通道中排列了不同類型的活人體細(xì)胞——上部通道中的肺泡細(xì)胞和下部通道中的肺血管細(xì)胞，以重建人體氣囊與其血液輸送毛細(xì)血管之間的界面。為了模擬肺泡在人肺中所經(jīng)歷的情況，將由肺泡細(xì)胞排列的通道充滿空氣，同時(shí)將血管通道灌注含有通常通過(guò)血液輸送的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流動(dòng)培養(yǎng)基。通道被一層多孔膜隔開(kāi)，允許分子在通道之間流動(dòng)。

接著研究人員將H3N2流感病毒引入空氣通道，以此來(lái)感染肺泡芯片，并成功觀察到流感感染的已知標(biāo)志的發(fā)展，包括細(xì)胞間連接的破壞、細(xì)胞死亡增加25%以及細(xì)胞修復(fù)程序的啟動(dòng)。感染還導(dǎo)致血管通道中多種炎性細(xì)胞因子水平升高，包括III型干擾素（IFN-III）——這是一種抵御病毒感染的天然防御措施，在體內(nèi)出現(xiàn)流感感染時(shí)將被激活。

此外，受感染芯片的血管細(xì)胞表達(dá)了更高水平的粘附分子，這使得灌注培養(yǎng)基中的包括B細(xì)胞、T細(xì)胞和單核細(xì)胞在內(nèi)的免疫細(xì)胞能夠附著在血管壁上，以幫助抵抗感染。這些結(jié)果證實(shí)，肺泡芯片對(duì)H3N2產(chǎn)生了免疫反應(yīng)，重現(xiàn)了感染流感病毒的人類患者肺部發(fā)生的情況。

然后，研究人員在沒(méi)有機(jī)械呼吸動(dòng)作的情況下進(jìn)行了同樣的實(shí)驗(yàn)。令他們驚訝的是，與靜態(tài)芯片相比，暴露于呼吸運(yùn)動(dòng)的芯片在其肺泡通道中的病毒mRNA減少了50%，炎癥細(xì)胞因子水平顯著降低。遺傳分析表明，機(jī)械應(yīng)變激活了與免疫防御和多個(gè)抗病毒基因相關(guān)的分子途徑，當(dāng)周期性拉伸停止時(shí)，這些激活被逆轉(zhuǎn)。

前Wyss研究中心技術(shù)開(kāi)發(fā)研究員、現(xiàn)中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院教授司龍龍博士表示：“這是我們最出人意料的發(fā)現(xiàn)，單是機(jī)械應(yīng)力就可以在肺部產(chǎn)生先天免疫反應(yīng)?！?/p>

這也闡明了在一些病理狀態(tài)下肺部炎癥發(fā)生的原理，例如當(dāng)患者罹患慢性阻塞性肺?。–OPD）或使用機(jī)械呼吸機(jī)時(shí)，其肺部壓力會(huì)增加到10%，從而導(dǎo)致先天免疫反應(yīng)基因和過(guò)程的增加，誘導(dǎo)炎癥細(xì)胞因子水平的提升，從而引起慢性炎癥和肺損傷。

然后，研究人員進(jìn)一步比較了應(yīng)變和靜態(tài)肺泡芯片中細(xì)胞中的RNA，以確定呼吸運(yùn)動(dòng)是如何產(chǎn)生免疫反應(yīng)的。他們發(fā)現(xiàn)了一種鈣結(jié)合蛋白S100A7，該蛋白在靜態(tài)芯片中未檢測(cè)到，但在應(yīng)變芯片中高度表達(dá)，表明其產(chǎn)生是由機(jī)械拉伸誘導(dǎo)的。他們還發(fā)現(xiàn)，S100A7表達(dá)的增加上調(diào)了與先天性免疫反應(yīng)有關(guān)的許多其他基因的表達(dá)，包括多種炎性細(xì)胞因子。

S100A7是已知與細(xì)胞膜上一種叫做晚期糖基化終末產(chǎn)物受體（RAGE）的蛋白質(zhì)結(jié)合的幾種相關(guān)分子之一。RAGE在肺中的表達(dá)通常顯著高于在人體其他器官中的表達(dá)，并且被認(rèn)為是幾種肺部疾病的主要炎癥介質(zhì)。藥物阿齊瑞格（Azeliragon）是一種已知的RAGE抑制劑，研究人員利用Azeliragon對(duì)應(yīng)變肺泡芯片的血管通道進(jìn)行為期48小時(shí)的灌注，然后用H3N2病毒感染芯片。這種預(yù)處理可以有效預(yù)防細(xì)胞因子風(fēng)暴樣反應(yīng)，而聯(lián)合給藥莫納皮拉韋（Molnupiravir，新冠口服藥）可以增強(qiáng)這一效果。

這些研究結(jié)果引起了擁有Azeliragon專利權(quán)的Cantex Pharmaceuticals的注意，并于2022年初授權(quán)Azeliragon用于治療新冠肺炎（COVID-19）和其他炎癥性肺病。鑒于該藥物在之前的III期臨床試驗(yàn)中良好的安全記錄，該公司已申請(qǐng)F(tuán)DA批準(zhǔn)在COVID-19患者中開(kāi)始II期試驗(yàn)，并計(jì)劃隨后針對(duì)包括COPD和激素抵抗性哮喘在內(nèi)的其他疾病進(jìn)行額外的II期試驗(yàn)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29562-4

審核編輯 ：李倩