前沿進展：為什么要做類器官串聯(lián)共培養(yǎng)？多個類器官串聯(lián)共培養(yǎng)的價值和意義

翻譯整理：北京佰司特科技有限責(zé)任公司

神經(jīng)球和肝臟在芯片上的串聯(lián)共培養(yǎng)

2015, Journal of Biotechnology

A multi-organ chip co-culture of neurospheres and

liver equivalents for long-term substance testing

目前用于藥物開發(fā)的體外實驗平臺無法模擬人體器官的復(fù)雜性，而人類和實驗室動物的系統(tǒng)差異巨大，因此現(xiàn)有的方案都不能準(zhǔn)確預(yù)測藥物的安全性和有效性。德國、葡萄牙和俄羅斯的研究團隊通過TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平臺，測試毒物對多器官的作用，揭示了基于微流控的多器官串聯(lián)共培養(yǎng)能夠更好的模擬人體的生理學(xué)環(huán)境。在體外培養(yǎng)條件下，由于氧氣和營養(yǎng)供應(yīng)有限，類器官培養(yǎng)往往會隨著時間的推移而去分化。然而微流控系統(tǒng)中通過持續(xù)灌注培養(yǎng)基，更好地控制環(huán)境條件，如清除分泌物和刺激因子，并且培養(yǎng)基以可控流速通過，以模擬血流產(chǎn)生的生物剪切應(yīng)力，因此類器官培養(yǎng)物可以保持良好的生長狀態(tài)。

雙器官串聯(lián)芯片（2-OC）能夠串聯(lián)共培養(yǎng)人的神經(jīng)球（NT2細(xì)胞系）和肝臟類器官（肝HepaRG細(xì)胞和肝HHSteC細(xì)胞）。在持續(xù)兩周的實驗中，反復(fù)加入神經(jīng)毒劑2,5-己二酮，引起神經(jīng)球和肝臟的細(xì)胞凋亡。跟單器官培養(yǎng)相比，串聯(lián)共培養(yǎng)對毒劑更敏感。因此，多器官串聯(lián)共培養(yǎng)在臨床研究中可以更準(zhǔn)確地預(yù)測藥物的安全性和有效性。推測這是因為一個類器官的凋亡信號導(dǎo)致了第二個類器官對藥物反應(yīng)的增強，這一推測得到了實驗結(jié)果的支持，即串聯(lián)共培養(yǎng)的敏感性增加主要發(fā)生在較低濃度藥物中。

在體內(nèi)，每個器官都保持著自己的獨立性，同時通過血液中的細(xì)胞和因子，與其他器官保持相互通訊。保持體外培養(yǎng)物的表型的同時，如何維持組織和器官間的通信一直是該領(lǐng)域的一個挑戰(zhàn)。所以，將幾種類器官串聯(lián)在一個共同的培養(yǎng)基的循環(huán)中，通過分泌的因子進行通訊和交流。模擬多器官之間的交流，可以研究每個器官代謝的產(chǎn)物對其他器官產(chǎn)生的影響，以及環(huán)境因子對于多器官的系統(tǒng)性效應(yīng)。

Anja Patricia Ramme 等科學(xué)家通過TissUse GmbH公司的MOC平臺，結(jié)合微生理系統(tǒng)循環(huán)中人體器官的特點，設(shè)計了一個四器官串聯(lián)芯片（4-OC），將小腸、肝臟、神經(jīng)球和腎臟等器官串聯(lián)起來培養(yǎng)，四種類器官均由來自同一健康供體的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞預(yù)分化，在不含組織特異性生長因子的培養(yǎng)基中共培養(yǎng)14天。類器官串聯(lián)共培養(yǎng)平臺為研究器官-器官相互作用、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和藥代動力學(xué)、疾病誘導(dǎo)和藥物作用提供了一個更快、更準(zhǔn)確、更經(jīng)濟、更具有臨床相關(guān)性的方案。

另外，哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家也開發(fā)了一種多器官串聯(lián)芯片，建立了串聯(lián)共培養(yǎng)心臟、肝臟、骨骼、皮膚的技術(shù)，發(fā)表于2022年的Nature Biomedical Engineering，中通過血液循環(huán)串聯(lián)培養(yǎng)4個類器官，保持了各個類器官的表型，還研究了常見的抗癌藥阿霉素對串聯(lián)芯片中的類器官以及血管的影響。結(jié)果顯示藥物對串聯(lián)共培養(yǎng)類器官的影響與臨床研究結(jié)果非常相似，證明了多器官串聯(lián)共培養(yǎng)能夠成功的模擬人體中的藥代動力學(xué)和藥效學(xué)特征。 “值得注意的是，多器官串聯(lián)芯片能夠準(zhǔn)確的預(yù)測出阿霉素的心臟毒性和心肌病，這意味著，臨床醫(yī)生可以減少阿霉素的治療劑量，甚至讓患者停止該治療方案。“    ----- Gordana Vunjak-Novakovic, Department of Biomedical Engineering, Columbia University

胰島和肝臟在芯片上的串聯(lián)共培養(yǎng)

2017, Nature Scientific Reports Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model

人類系統(tǒng)性疾病的發(fā)生過程都是通過破壞兩個或多個器官的自我平衡和相互交流。研究疾病和藥療就需要復(fù)雜的多器官平臺作為體外生理模型的工具，以確定新的藥物靶點和治療方法。2型糖尿病（T2DM）的發(fā)病率正在不斷上升，并與多器官并發(fā)癥相關(guān)聯(lián)。由于胰島素抵抗，胰島通過增加分泌和增大胰島體積來滿足胰島素不斷增加的需求量。當(dāng)胰島無法適應(yīng)機體要求時，血糖水平就會升高，并出現(xiàn)明顯的2型糖尿病。由于胰島素是肝臟代謝的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，可以將生產(chǎn)葡萄糖的平衡轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谄咸烟堑膬Υ?，因此胰島素抵抗會導(dǎo)致糖穩(wěn)態(tài)受損，從而導(dǎo)致2型糖尿病。過去已經(jīng)報道了多種表征T2DM特征的動物模型，但是，從動物實驗進行的研究往臨床上轉(zhuǎn)化的效果不佳。更重要的是，目前使用的藥物，雖然能緩解糖尿病癥狀，但對疾病進一步發(fā)展的治療效果有限。

胰腺和肝臟是參與維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)的兩個關(guān)鍵器官，為了模擬T2DM，阿斯利康（AstraZeneca）的科學(xué)家利用TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平臺，通過微流控通道相互連接，建立一個雙器官串聯(lián)芯片（2-OC）模型，實現(xiàn)芯片上胰腺和肝臟類器官的串聯(lián)共培養(yǎng)，在體外模擬了胰腺和肝臟之間的交流通訊。

建立串聯(lián)共培養(yǎng)類器官（胰島+肝臟）和單獨培養(yǎng)類器官（僅胰島或肝臟），在培養(yǎng)基中連續(xù)培養(yǎng)15天，串聯(lián)共培養(yǎng)顯示出穩(wěn)定、重復(fù)、循環(huán)的胰島素水平。而胰島單獨培養(yǎng)的胰島素水平不穩(wěn)定，從第3天到第15天，降低了49%。胰島與肝球體串聯(lián)共培養(yǎng)中，胰島可長期維持葡萄糖水平，刺激胰島素分泌，而單獨培養(yǎng)的胰島，胰島素分泌顯著減少。胰島分泌的胰島素促進了肝球體對葡萄糖的利用，顯示了串聯(lián)共培養(yǎng)中類器官之間的功能性交流。在單獨培養(yǎng)中的肝球體中，15天內(nèi)循環(huán)葡萄糖濃度穩(wěn)定維持在~11 mM。而與胰島共培養(yǎng)時，肝球體的循環(huán)葡萄糖在48小時內(nèi)降低到相當(dāng)于人正常餐后的水平度，表明胰島類器官分泌的胰島素刺激了肝球體攝取葡萄糖。

T2DM是一種多器官疾病，疾病表型和對藥物的反應(yīng)依賴于具有*代謝功能的器官和它們之間的相互作用。這篇文章提出了一個胰島和肝球體之間的類器官串聯(lián)共培養(yǎng)的模型。

與單一培養(yǎng)相比，在GTT（葡萄糖耐量測驗）第一天內(nèi)，串聯(lián)共培養(yǎng)中的血糖水平從高濃度降至正常范圍，隨后保持平衡。在沒有胰島素刺激時，單獨培養(yǎng)類器官（僅胰島或肝臟）中的葡萄糖水平一直保持在高濃度。

通過測量胰島在葡萄糖負(fù)荷下釋放到培養(yǎng)基中的胰島素水平來評估肝臟和胰島的串聯(lián)共培養(yǎng)的作用。胰島素促進了肝球狀體對葡萄糖的利用，在共培養(yǎng)中葡萄糖維持在正常水平，而單獨培養(yǎng)中葡萄糖水平一直偏高。因為，串聯(lián)共培養(yǎng)中，分泌到循環(huán)中的胰島素刺激了肝球體對葡萄糖的攝取，隨著葡萄糖濃度的降低，胰島素分泌會隨之減少，這就表明肝臟和胰島之間存在一個功能反饋回路。

長期暴露于高糖水平下，缺乏肝球體的胰島釋放胰島素的能力會降低，提示了長期高血糖損害胰島功能。另外，與單層HepaRG細(xì)胞相比，受刺激和未受刺激的AKT磷酸化比例在肝球體中明顯更高，這表明3D培養(yǎng)環(huán)境更利于模擬人體內(nèi)的生理反應(yīng)。

這些結(jié)果鼓勵我們建立2-OC模型來模擬T2DM的特征，通過胰島-肝臟串聯(lián)共培養(yǎng)揭示與T2DM疾病相關(guān)的機制，包括β細(xì)胞衰竭、胰島素抵抗、脂肪變性、脂肪性肝炎和肝硬化。多器官芯片（MOC）的發(fā)展目標(biāo)是建立各種不同的器官組合模型，用于藥物有效性和安全性評估以及藥動學(xué)/藥效學(xué)(PK/PD)測試。