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)有的方案都不能準確預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環(huán)境。在體外培養(yǎng)條件下，由于氧氣和營養(yǎng)供應有限，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細胞系）和肝臟類器官（肝HepaRG細胞和肝HHSteC細胞）。在持續(xù)兩周的實驗中，反復加入神經(jīng)毒劑2,5-己二酮，引起神經(jīng)球和肝臟的細胞凋亡。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確地預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致了第二個類器官對藥物反應的增強，這一推測得到了實驗結果的支持，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。

Anja Patricia Ramme 等科學家通過TissUse GmbH公司的MOC平臺，結合微生理系統(tǒng)循環(huán)中人體器官的特點，設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多能干細胞預分化，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、疾病誘導和藥物作用提供了一個更快、更準確、更經(jīng)濟、更具有臨床相關性的方案。

另外，哥倫比亞大學的科學家也開發(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，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和藥效學特征。 “值得注意的是，多器官串聯(lián)芯片能夠準確的預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?！?span>    ----- 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。當胰島無法適應機體要求時，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致糖穩(wěn)態(tài)受損，從而導致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)的兩個關鍵器官，為了模擬T2DM，阿斯利康（AstraZeneca）的科學家利用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、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。

這些結果鼓勵我們建立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疾病相關的機制，包括β細胞衰竭、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/藥效學(PK/PD)測試。