使用Emulate人肺氣道器官芯片建立肺囊性纖維化模型

肺囊性纖維化（pulmonary cystic fibrosis，PCF）是一種遺傳性疾病，由編碼囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)因子的基因突變引起，會產(chǎn)生氣道粘膜纖毛清除受損、肺炎以及呼吸功能障礙等癥狀。目前尚缺乏能夠完全模擬PCF患病組織細(xì)胞特性的體外實驗?zāi)Ｐ�，而人肺氣道器官芯片模型則很好地填補了這一空缺，這里我們對應(yīng)用人肺氣道芯片建立體外肺囊性纖維化模型的有效性進(jìn)行總結(jié)。

圖1 人肺氣道芯片結(jié)構(gòu)示意圖

 
一、患者組織來源的肺氣道芯片再現(xiàn)PCF的病理學(xué)特征：

本研究分別使用健康人和PCF患者的原代支氣管上皮細(xì)胞，構(gòu)建了健康人和患者的肺氣道芯片。通過對不同標(biāo)志性蛋白（如ß-tubulin、CK5、CC10、Muc5AC等）的染色檢測，可以看到上皮細(xì)胞特化為纖毛細(xì)胞、基底細(xì)胞、棒狀細(xì)胞和杯狀細(xì)胞；此外，PCF肺氣道芯片上皮層表面纖毛細(xì)胞覆蓋率明顯高于健康上皮層，且表現(xiàn)出更高的纖毛跳動頻率。同時，研究者對芯片通道中的收集液進(jìn)行了Alcian藍(lán)染色以定量粘蛋白豐度，結(jié)果表明CF肺氣道芯片顯示出更豐富的粘蛋白積累。以上結(jié)果共同表明，CF肺氣道芯片再現(xiàn)了PCF患者氣道上皮的組織學(xué)特征。

圖2健康人芯片和PCF患者芯片的纖毛和粘蛋白比較

 
二、肺氣道芯片再現(xiàn)PCF的炎癥反應(yīng)特征

接下來研究者觀察PCF肺氣道芯片的血管通道，發(fā)現(xiàn)與正常氣道芯片相比，炎癥因子含量IL-8顯著增加；向芯片的血管通道中加入多形核白細(xì)胞，觀察到與正常氣道芯片相比，CF芯片中多形核白細(xì)胞向內(nèi)皮細(xì)胞的粘附效應(yīng)增強(qiáng)，與PCF患者肺部免疫細(xì)胞浸潤增加的行為相似。這兩個現(xiàn)象表明，PCF氣道芯片能表現(xiàn)出與PCF相似的炎癥反應(yīng)特征。

圖3健康人與PCF患者氣道芯片的炎癥反應(yīng)表型比較

 
三、綠膿桿菌感染可引起CF肺氣道芯片產(chǎn)生與PCF相似的免疫炎癥反應(yīng)

研究者將GFP標(biāo)記的綠膿桿菌接種于芯片中，以模擬綠膿桿菌肺部感染。熒光密度定量結(jié)果顯示PCF芯片中的細(xì)菌數(shù)量更高、炎癥細(xì)胞因子（如IL-6、TNF-α和GM-CSF）分泌增加、綠膿桿菌感染處有更多的多形核白細(xì)胞募集。這與臨床上PCF患者肺部感染后炎癥反應(yīng)特征類似。以上結(jié)果共同說明，PCF芯片能真實再現(xiàn)PCF氣道的結(jié)構(gòu)和病理生理學(xué)特征尤其是炎癥反應(yīng)相關(guān)的特征。

圖4 綠膿桿菌感染下的健康人和PCF患者芯片比較

 
研究結(jié)論

利用Emulate器官芯片這一體外培養(yǎng)體系，研究人員成功構(gòu)建了來源于患者的PCF氣道芯片模型，該模型在體外表現(xiàn)出了與患者臨床癥狀極為相似的病理學(xué)表征，在經(jīng)細(xì)菌感染后，PCF芯片亦能夠表現(xiàn)出與患者相似的病理特征，這說明人肺氣道芯片能應(yīng)用于建立PCF模型以及后續(xù)藥物測試、機(jī)制探索等研究，有助于推進(jìn)PCF發(fā)病機(jī)制和臨床治療手段的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：
1. Plebani R. et al. Modeling pulmonary cystic fibrosis in a human lung airway-on-a-chip. J Cyst Fibros 21, 2022. doi:10.1016/j.jcf.2021.10.004.