JCF | 气道芯片重现囊性纤维化肺病

原创 图灵基因 图灵基因 2021-12-03 16:30

收录于话题#前沿分子生物学技术

患者筛查和突破性治疗的进展使囊性纤维化（CF）患者现在可以活到30多岁或40多岁，有时甚至更长。然而，即使是约90%的具有最常见CFTR突变（称为ΔF508）的患者（取决于欧洲大陆），他们可以用可用的药物治疗，仍然受到粘液中细菌的困扰，这会导致肺部炎症。反复发作的感染和炎症，以及感染之间的慢性低度炎症，逐渐削弱并伤及患者的气道，最终导致他们的呼吸系统衰竭。对于其余约10%的具有各种其他CFTR突变的患者，甚至还没有靶向治疗。开发新的和急需的治疗方法的一个主要障碍是缺乏概括CF疾病病理的人类体外模型。

现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的一个多学科研究团队开发了一种USB记忆棒大小的微流体器官芯片设备，它比其他体外系统更准确地概括了CF患者的关键病理特征。该模型在多种疾病特征中复制CF特异性变化，包括气道粘液层、粘液输送纤毛的搏动、病原体生长、炎症分子和白细胞的募集，提供了一个全面的临床前人体模型，用于研究新的CF疗法。这项新研究的结果最近发表在《Journal of Cystic Fibrosis》上的一篇题为“Modeling pulmonary cystic fibrosis in a human lung airway-on-a-chip”的文章中。

“现在我们能够在人类气道芯片中准确地模拟CF病理，包括微生物组和炎症反应，我们就有办法应对对CF患者很重要的挑战。”高级研究作者、Wyss研究所创始董事、医学博士Donald Ingber解释道，“这种先进的体外模型的捆绑功能有助于加速寻找可以抑制患者过度免疫反应的药物，用更个性化的疗法来治疗患者，并有助于解决CF患者每天面临的现有疗法无法解决的问题。”

为了模拟和比较血管化CF气道的微观结构和功能，作者在空气中的微流体装置的两个平行运行的空心通道之一中培养了从人类CF患者或健康个体获得的肺气道细胞，再现了肺的空气传输环境。在第二个通道（通过多孔膜与第一个通道分离）中，他们从用血液替代介质灌注的人肺微血管细胞重建了人体血管。

“这个CF气道的第一个微生理模型与我们从CF患者的气道中了解到的情况非常相似。保持了所有相关细胞类型的典型组成，它形成了更厚的粘液层，其纤毛细胞显示出更高的纤毛密度，与用来自健康个体的气道细胞创建的气道芯片相比，纤毛以更高的频率跳动。”共同第一作者、Ingber团队的前博士后研究员Ratnakar Potla博士说，“重要的是，这些病理变化伴随着模拟CF支气管上皮中炎症反应的增强，这与在CF患者中观察到的炎症反应非常相似。”Potla现在是complex in vitrosystems at Genentech-Roche的高级科学家。

在培养气道芯片两周后，研究人员测量了从气道芯片血管通道流出的促炎因子和抗炎因子的水平，已知这些因子与CF患者肺部的炎症反应有关。在其他变化中，与对照气道芯片相比，CF芯片中促炎细胞因子IL-8的水平有所升高。有趣的是，IL-8以其吸引称为嗜中性粒细胞的白细胞类型的能力而闻名，这种白细胞也会导致CF患者肺部炎症。

当研究人员将人类中性粒细胞通过CF气道芯片的血管通道时，他们观察到更多的免疫细胞自发粘附在血管细胞表面，挤压自己穿过血管细胞层和多孔膜，积聚在气道上皮细胞层的空气通道——概括称为“轮回”的过程。

但模拟CF的气道组织不仅刺激免疫细胞募集，还支持了铜绿假单胞菌的生长。铜绿假单胞菌存在于正常肺部的微生物组中，但可以在人类CF患者中失控生长并导致肺部感染。在他们将荧光标记的铜绿假单胞菌引入由CF患者的支气管上皮细胞制成的芯片的气道通道24小时后，研究小组发现CF特异性粘液中的病原体数量高于健康气道芯片中的粘液中的病原体数量。因此，促炎细胞因子水平进一步升高，从而复制了在CF患者中看到的感染-炎症循环。

下一步，该团队将通过生成从同一患者身上获取支气管上皮细胞、血管内皮细胞和免疫细胞的版本，进一步个性化他们的CF肺气道芯片。“在这项概念验证研究中，我们只使用了来自携带频繁ΔF508 CFTR突变的患者的CF特异性支气管气道细胞。但不同的CFTR突变也可能影响内皮细胞和免疫细胞的功能，并且其效果也不同。”共同第一作者、意大利Chieti-Pescara大学的客座教授Roberto Plebani博士总结道，“通过使用来自具有不同突变的患者的细胞开发一组患者特异性气道芯片，并通过直接测量芯片上不同受损的CFTR离子通道的活性，可以以高度个性化的方式研究药物反应和疗效。”