高分综述——肺部疾病研究的里程碑!类器官与器官芯片技术的突破

2024年2月15日，奥地利科研团队在期刊

2024年2月15日，奥地利科研团队在期刊European Journal of Immunology发表了一篇题为 The breathtaking world of human respiratory in vitro models: Investigating lung diseases and infections in 3D models, organoids, and lung-on-chip 的综述论文。大流行突显了急需复杂的人类组织模型来快速测试和开发SARS-CoV-2的有效治疗方法。近年来，呼吸道和肺部模型的开发得到了广泛推动，例如3D模型、类器官和肺芯片等。这些模型为研究SARS-CoV-2和其他呼吸道病原体、肺部疾病提供了生理上相关的系统。同时，这些模型也为药物和疫苗测试提供了可靠和可重复的平台，有望推动医学领域的进一步发展。

本文主要综述了三个方面：

一、近年来类器官模型对呼吸道和肺部模型的开发起到了怎样的推动作用？

在COVID-19大流行期间，3D模型、类器官和肺芯片的发展得到了加速，为快速测试和开发针对新兴的SARS-CoV-2的有效治疗选择提供了必要的工具。通过使用这些先进的模型，研究人员能够更详细地研究肺病理学，如囊性纤维化、慢性阻塞性肺疾病或，以及病毒感染等方面。这些模型为进一步改进器官奠定了基础，例如通过结合多种细胞类型或其他器官在微流控器官-芯片装置中，标准化和协调这些设备，以可靠和可重复地进行高通量的药物和疫苗测试。因此，类器官模型的发展为研究呼吸道和肺部疾病提供了更加真实和有效的工具，为深入了解疾病机制、开发新的治疗策略以及减少对动物实验的依赖提供了重要的支持。

图1. 鼻腔、上呼吸道、下呼吸道和肺部都有标准化的原发性上皮屏障模型

二、如何利用3D模型、类器官和肺芯片技术来研究肺部疾病和感染，包括SARS-CoV-2的影响？

1. 病理生理学研究：通过构建肺部3D模型和类器官，可以模拟肺部疾病的发展过程，如慢性阻塞性肺疾病（COPD）、囊性纤维化等，从而深入了解疾病的病理生理学特征。

2. 感染机制研究：利用这些模型可以模拟病原体感染的过程，包括SARS-CoV-2等呼吸道病毒的感染机制，从而研究病毒与宿主细胞的相互作用、病毒复制过程等关键环节。

3. 药物筛选和疗效评估：这些模型可以用于评估药物在肺部疾病和感染治疗中的疗效，加速药物筛选过程，为新药开发提供重要参考。

图2. 肺类器官。左：基底向外。右：顶端向外。类器官在Geltrex中以基底向向外培养（左）或在悬浮液中以顶端向外分化（右）。2周后，对类器官进行染色，以检测粘液分泌（MUC5AC）、细胞核（Hoechst）、纤毛（乙酰化微管蛋白）和角蛋白5（KRT5）。

三、研究人员如何通过将免疫细胞和其他器官纳入微流控芯片器官设备来进一步改进这些模型？

1. 模拟免疫反应：通过引入免疫细胞类型，如巨噬细胞、淋巴细胞等，可以模拟肺部的免疫反应，研究疾病发生时免疫系统的作用机制，以及疾病与免疫系统之间的相互影响。

2. 模拟器官间相互作用：将肺部模型与其他类器官模型整合到同一微流控芯片器官设备中，可以模拟不同器官之间的相互作用，研究肺部疾病对整体机体的影响，以及不同器官之间的协调性。

3. 个性化医学研究：通过整合多种细胞类型和类器官模型，可以实现个性化医学研究，根据个体的特定情况定制治疗方案，提高治疗效果和预后。

图3. 分化呼吸道组织模型（白色）中树突状细胞（绿色）与曲霉菌（红色）的相互作用。在未感染的对照组（左图）中，CFSE标记的树突状细胞随着时间的推移仍位于基底，但这些细胞在1小时后（上图）就已感知到真菌分生孢子（红色），3小时后（中图）与这些分生孢子（黄色）共定位，24小时后发现它们与真菌菌丝一起存在。