芯片上的器官模型 有專門的微流控平臺

近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的生物工程師們創(chuàng)建了一種被稱為“芯片上的器官”的模型。這是一種多組織模型，讓他們能夠在一個(gè)專門的微流控平臺上研究不同器官和免疫系統(tǒng)之間的關(guān)系。利用這種模型，研究小組能夠探索循環(huán)免疫細(xì)胞在潰瘍性結(jié)腸炎和其他炎癥性疾病中的作用。

他們還發(fā)現(xiàn)，生活在人類腸道內(nèi)的細(xì)菌產(chǎn)生的代謝副產(chǎn)物在這些炎癥條件下起著重要作用。

這篇研究發(fā)表在《Cell Systems》上，這種方法也可以用于研究許多其他復(fù)雜疾病。

早在大約20年前，這項(xiàng)研究的資深作者、工程學(xué)院教學(xué)創(chuàng)新教授、生物工程與機(jī)械工程教授Linda Griffith的實(shí)驗(yàn)室就首次開始研究一種被稱為“肝芯片”的人類肝臟模型。該系統(tǒng)由在特殊支架上生長的人工肝組織組成，可用于藥物毒性測試。

最近，她一直在研究許多相互關(guān)聯(lián)的器官的小型復(fù)制品，這些器官也被稱為微生理系統(tǒng)（MPS）。在2018年，她開發(fā)的一個(gè)平臺被報(bào)道，該平臺可用于一次模擬多達(dá)10個(gè)器官之間的相互作用。

（圖：2016年關(guān)于這種芯片上的微型人體器官的報(bào)道。圖源：MIT）

（圖：他們提出的全身仿生裝置“芯片上的人”的概念示意圖。圖源：MIT）

在2016年的報(bào)道中，這種芯片是用一種柔韌的聚合物制成的，這種聚合物的特點(diǎn)是有微流體通道和七個(gè)容納器官材料的深井。這些細(xì)胞井里充滿了從干細(xì)胞中生長出來的活的器官組織，或者是在手術(shù)中收集來的，然后在三維支架上生長，允許組織采用在人體中發(fā)現(xiàn)的自然三維結(jié)構(gòu)。

和在人體內(nèi)一樣，芯片上的器官通過循環(huán)泵入富含氧氣的液體來提供氧氣和食物。研究人員將能夠監(jiān)測藥物對芯片的影響，看看藥物對不同器官或整個(gè)系統(tǒng)是有益還是有害。

這些設(shè)備非常適合分析復(fù)雜的疾病，包括那些涉及多個(gè)器官、受免疫系統(tǒng)影響、或不能由單個(gè)基因或少數(shù)基因解釋的疾病。

Griffith說：“我們想要建立一種技術(shù)，可以讓你把幾個(gè)器官系統(tǒng)連接在一起，這樣我們就可以開始開發(fā)新的工具來對抗慢性炎癥疾病。”

在這篇新的研究中，她和Trapecar開始建立兩個(gè)器官之間的相互作用模型，結(jié)腸和肝臟。他們還想研究免疫系統(tǒng)，尤其是T細(xì)胞，是如何影響這些器官的。

眾所周知，多達(dá)80%的慢性肝臟自身免疫性疾?。ㄔl(fā)性硬化性膽管炎）患者同時(shí)也患有炎癥性腸病（IBD）。而且，IBD患者發(fā)生肝臟自身免疫性疾病的幾率要大得多。

新系統(tǒng)包含從潰瘍性結(jié)腸炎患者身上提取的結(jié)腸細(xì)胞，以及健康的肝細(xì)胞。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這些組織被連接在一起時(shí)，它們的生理行為與被分離時(shí)完全不同。

潰瘍性結(jié)腸炎腸道組織暴露于健康的肝細(xì)胞后，炎癥減輕。與此同時(shí)，參與代謝和免疫功能的基因和細(xì)胞通路在這兩個(gè)器官中變得更加活躍。

然后，研究人員將兩種類型的T細(xì)胞添加到系統(tǒng)中：CD4 T調(diào)節(jié)細(xì)胞，它抑制其他免疫細(xì)胞;TH17細(xì)胞，它刺激炎癥反應(yīng)。

將這些T細(xì)胞加入到內(nèi)臟-肝臟的相互作用中，會迅速增加炎癥反應(yīng)，重現(xiàn)IBD和自身免疫性肝病的某些特征。

最后，研究人員決定研究短鏈脂肪酸（SCFAs）分子在炎癥疾病中的潛在作用。這些分子是由人體腸道內(nèi)的微生物產(chǎn)生的。

雖然這些化合物對人體有許多有益的作用，包括減少炎癥，但近年來的一些研究表明，SCFAs也可以通過刺激炎癥而造成傷害。

麻省理工學(xué)院的這項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，在潰瘍性結(jié)腸炎模型中加入SCFAs會大大加劇肝臟和腸道的炎癥，但前提是已經(jīng)存在T細(xì)胞。

“基于這些研究，我們形成的假設(shè)是，短鏈脂肪酸的作用似乎取決于適應(yīng)性免疫系統(tǒng)（包括T細(xì)胞）的參與程度，”Trapecar說。

也就是說，在炎癥的早期，當(dāng)T細(xì)胞沒有大量參與時(shí)，SCFAs可以幫助減少炎癥。

但是當(dāng)許多效應(yīng)T細(xì)胞被募集時(shí)，SCFAs會刺激它們產(chǎn)生更多的炎癥。

這可能在感染的情況下有用，幫助身體抵御入侵者，但它也會加速自身免疫性疾病。

格里菲斯的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正致力于利用MPS系統(tǒng)來闡明SCFAs和帕金森病之間的聯(lián)系。

研究人員還計(jì)劃研究其他復(fù)雜的疾病，希望他們的研究結(jié)果將有助于指導(dǎo)目前難以治療的疾病的新療法的開發(fā)。

這項(xiàng)研究由美國國防高級研究計(jì)劃局、國家衛(wèi)生研究院、國家生物醫(yī)學(xué)成像與生物工程研究所、國家環(huán)境衛(wèi)生科學(xué)研究所、國家癌癥研究所的科赫研究所支持（核心）贈款和佩爾-斯圖爾特信托基金會資助。

人造器官的“另辟蹊徑”

目前，關(guān)于人造器官已經(jīng)有著不少實(shí)驗(yàn)，但研究人員們采用的方法不盡相同。

美國德克薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院所制造出的“人造豬肺”采用的就是不同的方法。他們首先通過糖、清潔劑等用品將豬肺里的細(xì)胞和血液全部清理，只留下蛋白質(zhì)作為肺器官的“骨架”，再在每個(gè)支架上都添加從受體豬肺中提取的細(xì)胞，并將肺支架放在盛有特殊營養(yǎng)液的水池里，以培育出真正的豬肺。這種形式實(shí)際上還是利用了自然的器官結(jié)構(gòu)。

《科學(xué)》曾報(bào)道的美國卡耐基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的科學(xué)家們的3D生物打印技術(shù)復(fù)制人類心臟結(jié)構(gòu)，則是使用天然的膠原蛋白做3D打印的生物墨水。這種3D打印技術(shù)以明膠作為支撐床，讓膠原蛋白在支撐膠中逐層沉積和凝固。打印完成后，研究人員再改變溫度讓支撐用的明膠融化。