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关键词:新型冠状病毒,类器官,器官芯片
Keywords:COVID-19, organoids, organs-on-chips

2022年已经是新型冠状病毒肺炎肆虐的第三个年头(Corona Virus Disease 2019,COVID-19,下简称“新冠”)。虽然已经有动物模型和单层细胞模型用于新冠发病机制的研究和疗法研究,但目前仍然缺乏能够更为准确地反映人类对病毒反应的模型。干细胞类器官(Stem cell organoids)和生物工程器官芯片(bioengineered organs-on-chips)作为用于构建生物体外三维组织或器官模型的前沿技术,有望构建更为精准的体外模型用于新冠研究。本文是由中科院大连化学物理研究所首席研究员、微流控芯片研究组组长秦建华及其课题组于2022年2月发表在Advanced Science上的一篇综述文章,文章标题为”Human Organoids and Organs-on-Chips for Addressing COVID-19 Challenges”,第一作者为Yaqing Wang。

文章主要介绍了干细胞类器官和器官芯片两个模型系统的主要特征,总结了该方法在病毒学研究技术方面的最新进展,展示了它们在新冠研究方面的潜在应用。

研究背景:

COVID-19是人类历史上最严重的流行病之一。自2019年12月爆发以来,它在全球范围内造成了较大的经济和社会损失。SARS-CoV-2病毒与早年的SARS-CoV病毒有同源性,与常见的呼吸道传染病不同,COVID-19既致命又具有传染性。新冠肺炎患者可能为无症状患者,也可能表现出多种症状,包括呼吸窘迫、凝血病、胃肠道症状(腹痛或腹泻),甚至多器官全身性损伤。SARS-CoV-2迅速进化,并出现了多种突变,如Alpha (B.1.1.7)、Beta (B.1.351)、Gamma (P.1)、Delta (B.1.617.2)、Eta(B.1.525)、Iota (B.1.526)、Kappa(B.1.617.1)和Zeta (P.2)等。以SARS-CoV-2 Delta变体(B.1.617.2)为例,该变异株于2020年底被发现,并传播到整个印度。与原始冠状病毒菌株相比,Delta变体提高了传染性,并可能在COVID-19患者中表现出更高的病毒载量和免疫逃避。尽管全球范围内已经开发出了几种SARS-CoV-2疫苗,但研究表明,病毒的变异株对这些已有的疫苗的敏感性较低。因此,全面了解新冠肺炎的发病机制并开发有效疗法是一个重大挑战。

研究现状:

许多动物模型和单细胞模型已被用于新冠候选药物和疫苗的筛选。转基因小鼠、恒河猴及其他非人类灵长类动物在药物反应和药物测试方面发挥了重要作用。但是,有些动物并非新冠病毒的天然宿主;另一些动物的反应症状与人类大不相同;简单的细胞系培养缺乏体内细胞-细胞相互作用,并表现出与本底组织的表观遗传学上和功能上的差异,以上种种原因导致了已有的新冠体外研究模型的局限性。类器官研究和器官芯片技术大大促进了生理组织和器官的体外三维构建模型构建。

类器官是基于干细胞自组织的三维(3D)多细胞组织。器官芯片是体外微流体细胞培养设备,可以模拟细胞微环境(例如流体流动、拉伸和组织界面)。这些技术可以重建各种器官的小型化功能单元,如肺、肠道或神经网络。类器官和器官芯片可以反映病理生理学和宿主对不同疾病反应,这可能会为新冠研究提供新的思路。

COVID-19体外器官模型研究
COVID-19体外器官模型研究

器官芯片

器官芯片是体外微生理系统,通过在微流体设备中培养活细胞来重建活体器官的功能单元。一般来说,器官芯片模型中的细胞源包括细胞系、初级细胞和干细胞。通过精确控制流体流动、机械信号和多细胞相互作用,器官芯片可以在体内模拟细胞微环境和器官的关键功能特性。在过去十年中,器官芯片技术取得了很大进展,以构建各种人体器官的仿生模型(如肠道、心脏、肝脏、和肺)。这些模型在疾病研究、药物测试和病毒学应用方面具有较大潜力。

影响某些组织或器官细胞行为和功能的细胞外微环境提供的关键因素包括生化因素(如细胞因子、氧气和营养素)、物理因素(如剪切应力、机械力和电信号)以及细胞-细胞/细胞-基质相互作用。血管灌注是保持体内组织和器官形态和功能的一个关键方面,因为它可以促进营养交换并提供剪切应力。在芯片装置中微米级的通道中的灌注有利于提升细胞活力。介质通过分隔的微流体芯片循环,使多种细胞类型之间能够相互作用。这些芯片还可以通过对生化因素或氧气张力梯度进行时空控制来操纵细胞行为(例如增殖、迁移和分化)。

除了生化因素外,对张力、变形和拉伸等机械信号的研究,还拓宽了我们对细胞行为的深入理解。器官芯片技术可以监控并表征机械形变、生物物理信号(如电刺激和光学刺激),以诱导细胞行为,主宰细胞命运。

体内组织屏障是导致组织和器官复杂微环境的另一个因素。当对不同类型的细胞进行共培养时,含有多孔膜分隔腔的器官芯片(如聚碳酸酯和PDMS)可以模拟组织-组织界面。最近有研究建立了具有组织界面的器官芯片,以简化功能性组织屏障,如肺泡空气-液体屏障、血脑屏障、和胎盘屏障。

类器官

类器官是从多能干细胞(pluripotent stem cells ,PSC)或组织驻留记忆成体干细胞(tissue-resident adult stem cells,ASC)中衍生而来的复杂的3D结构。它们可以在多细胞组成、结构和功能方面模仿原生器官的关键特征。在过去的十年里,研究者们已经成功设计了多种类型的类器官,用以模仿人类发育器官的生理特征,如大脑、肠、肝脏和肾脏。类器官可以反映组织发育的生物学参数,例如由异质细胞构成的组织,以及细胞-细胞/细胞-基质相互作用。与二维培养和体内模型相比,类器官更适合操纵干细胞微环境(Stem cell niche)和基因组编辑。类器官模型的多功能性和潜力促进了一系列生物医学应用,包括对组织更新、器官发育、疾病病因、病毒感染和药物发现等研究。

但这些模型也具有一些局限性。比如,类器官通常仅仅能代表天然组织的某一方面的特性。并且类器官的形成过程是自发的,依赖于干细胞在3D细胞外基质中的自组织。动物源性基质(如Matrigel)已被广泛用作培养类器官和促进其进一步分化的支架。然而,这些基质的批次差异和某些不明确的蛋白质成分可能导致组成随机、变异性高和再现性差的类器官模型产生。此外,与真实组织相比,大多数类器官模型缺乏血管网络和免疫系统,因此它们仍然无法完全反映体内人体器官的真实结构和功能。

随着生物工程、材料和细胞生物学领域的发展,研究者们已经可以通过诱导干细胞行为和控制细胞微环境。将类器官和器官芯相结合,研究者们可以构建更高保真的3D模型。最近的研究表明,机械流动可以增强PSC衍生的大脑、肠道和胰岛类器官的器官发生和成熟。生理流动对血管生成的有利影响体现在肾类器官芯片中。其他工程化策略,如生物材料和生物制造技术,也可以与类器官和器官芯片模型集成,以改善其功能,推进其转化应用。如水凝胶可以模仿本底3D基质,并通过自组织和微环境环境的时空控制来引导类器官形态生成。

人体类器官和器官芯片用于研究病毒感染及其在新冠肺炎中的研究进展

用于模拟新冠感染的类器官模型
用于模拟新冠感染的类器官模型

文章主要总结了以下体外芯片模型研究进展:肺泡II型细胞(HTII-280)在空气-液界面的分化人类肺芽尖端类器官中感染SARS-CoV-2模型(图a)。人类结肠类器官模型验证了SARS-CoV-2感染肠道上皮的能力,感染可以通过I型和III型干扰素控制(图B)。从hPSC中提取的区域特异性脑类器官显示,脉络丛上皮细胞容易受到SARS-CoV-2感染(图C)。人类肝导管类器官在胆管细胞中发现SARS-CoV-2感染和病毒诱导的胆管细胞损伤(图D)。来自人类胚胎干细胞(hESC)的全眼类器官可以直接感染SARS-CoV-2(图E)。人类毛细血管和肾脏类器官很容易感染SARS-CoV-2,SARS-CoV-2可以被人类重组可溶性ACE2(hrsACE2)抑制(图F)。

用于新冠肺炎研究的类器官模型

表1总结了已经用于新冠肺炎研究的类器官模型。

人类肺和肠芯片能用于SARS-CoV-2诱导的组织损伤和免疫反应研究
人类肺和肠芯片用于SARS-CoV-2诱导的组织损伤和免疫反应研究

图A展示的微工程肺泡芯片由上肺泡上皮层和下肺微血管内皮层组成,由多孔PDMS膜隔开。它可以通过在流体流动条件下对不同类型的细胞进行共培养来模拟体内人类肺泡毛细血管屏障。图B表明,在芯片上感染SARS-CoV-2时,上皮细胞表现出病毒感染和大规模复制,但内皮细胞没有。图C相关研究表明,病毒感染后宿主细胞的转录分析显示,上皮激活了先天免疫反应,内皮细胞因子依赖途径激活。图D相关研究展示了病毒感染导致循环免疫细胞的招募和内皮细胞的损伤。图E为在机械流动条件下,肠上皮细胞、内皮细胞和免疫细胞在多层通道中共同培养构建了仿生肠道芯片。通过肠道软骨样结构和上皮和内皮中表达的粘附结蛋白来确定芯片上的肠道屏障。图F相关研究表明,肠道芯片感染SARS-CoV-2后,尖峰蛋白主要在肠道上皮中表达。随着肠绒毛的损伤和上皮和内皮中紧密连接(E-钙粘蛋白和VE-钙粘蛋白)的表达减少,肠道屏障表现出明显的形态变化。

总结:

表2对比了文中提到的几种模型(类器官、器官芯片及动物模型)之间的优劣。

不同模型在SARS-CoV-2感染研究中的比较

器官芯片可以通过整合组织-组织界面、免疫细胞和机械信号来重建器官功能单元和细胞-细胞相互作用。它们可视化SARS-CoV-2如何感染人类细胞,并触发复杂的宿主病毒相互作用和免疫反应。与传统的细胞培养和动物模型相比,这些与生理相关的3D器官模型为人类反应提供了更合适的研究模型,在包括病毒传播途径和系统病理学方面提供了新的见解,最终可能加快药物和疫苗的研发。

有几个临床病例报告了新生儿分娩后病毒RNA的早期鼻咽阳性,以及SARS-CoV-2的胎盘感染,这表明病毒可能通过母婴垂直传播。到目前为止,病毒或其他传播途径的确切垂直或经胎盘传播尚不清楚。器官芯片可以为研究病毒感染和传播动力学提供一个低成本平台。使用人类肺气道芯片可以模拟流感病毒的人际传播和病毒株的进化,为研究呼吸道病毒传播和测试抗病毒耐药性提供了工具。使用不同的病毒接种模式或联用不同的器官芯片,如肺、肠道和胎盘芯片,可以深入了解SARS-CoV-2的发病机和传播机制。与动物源性细胞集成的芯片模型则可用于研究跨物种病毒传播。

药物和疫苗是防止新冠肺炎快速传播的有效方法。由于物种之间的差异,许多在动物身上筛选出来的的候选药物或疫苗,往往在临床实验中失败。类器官和器官芯片模型可以作为动物模型和传统细胞培养的潜在替代品,加快药物和疫苗的开发。

COVID-19是一种系统性疾病,病毒可以在肺部、肝脏、大脑、心脏、血管、肾脏和肠道等多个器官中复制。器官芯片可以模拟器官之间的相互作用,加速临床前药物发现和个性化治疗。最近,已有研究建立了肺泡-血脑屏障器官芯片,在多器官背景下研究SARS-CoV-2感染。

下一代人体器官模型的示意图
下一代人体器官模型

类器官和器官芯片在新冠肺炎和病毒感染的研究中表现出广泛的应用,但是不难发现,这些模型仍然缺乏包含血管和免疫系统等各种真实细胞成分。新开发的类器官芯片技术在构建更高保真度的器官模型方面展现出巨大潜力。未来,这项技术可以通过微流控拓宽到与其他技术的的联用(诸如生物传感器、3D打印、基因编辑、显微镜图像和多组学等)以创建更复杂、更高效的下一代器官模型。这些模型能够在体外模拟宿主-病原体相互作用,促进潜在的药物和疗法开发,以应对新冠肺炎或下一个流行病挑战。

原文链接:https://doi.org/10.1002/advs.202105187

作者介绍:歪歪,清华BME在读,生化搬砖工。

最后修改日期: 2022年5月4日

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