芯片上的器官模型 有专门的微流控平台

近日，麻省理工学院（MIT）的生物工程师们创建了一种被称为“芯片上的器官”的模型。这是一种多组织模型，让他们能够在一个专门的微流控平台上研究不同器官和免疫系统之间的关系。利用这种模型，研究小组能够探索循环免疫细胞在溃疡性结肠炎和其他炎症性疾病中的作用。

他们还发现，生活在人类肠道内的细菌产生的代谢副产物在这些炎症条件下起着重要作用。

这篇研究发表在《Cell Systems》上，这种方法也可以用于研究许多其他复杂疾病。

早在大约20年前，这项研究的资深作者、工程学院教学创新教授、生物工程与机械工程教授Linda Griffith的实验室就首次开始研究一种被称为“肝芯片”的人类肝脏模型。该系统由在特殊支架上生长的人工肝组织组成，可用于药物毒性测试。

最近，她一直在研究许多相互关联的器官的小型复制品，这些器官也被称为微生理系统（MPS）。在2018年，她开发的一个平台被报道，该平台可用于一次模拟多达10个器官之间的相互作用。

（图：2016年关于这种芯片上的微型人体器官的报道。图源：MIT）

（图：他们提出的全身仿生装置“芯片上的人”的概念示意图。图源：MIT）

在2016年的报道中，这种芯片是用一种柔韧的聚合物制成的，这种聚合物的特点是有微流体通道和七个容纳器官材料的深井。这些细胞井里充满了从干细胞中生长出来的活的器官组织，或者是在手术中收集来的，然后在三维支架上生长，允许组织采用在人体中发现的自然三维结构。

和在人体内一样，芯片上的器官通过循环泵入富含氧气的液体来提供氧气和食物。研究人员将能够监测药物对芯片的影响，看看药物对不同器官或整个系统是有益还是有害。

这些设备非常适合分析复杂的疾病，包括那些涉及多个器官、受免疫系统影响、或不能由单个基因或少数基因解释的疾病。

Griffith说：“我们想要建立一种技术，可以让你把几个器官系统连接在一起，这样我们就可以开始开发新的工具来对抗慢性炎症疾病。”

在这篇新的研究中，她和Trapecar开始建立两个器官之间的相互作用模型，结肠和肝脏。他们还想研究免疫系统，尤其是T细胞，是如何影响这些器官的。

众所周知，多达80%的慢性肝脏自身免疫性疾病（原发性硬化性胆管炎）患者同时也患有炎症性肠病（IBD）。而且，IBD患者发生肝脏自身免疫性疾病的几率要大得多。

新系统包含从溃疡性结肠炎患者身上提取的结肠细胞，以及健康的肝细胞。研究人员发现，当这些组织被连接在一起时，它们的生理行为与被分离时完全不同。

溃疡性结肠炎肠道组织暴露于健康的肝细胞后，炎症减轻。与此同时，参与代谢和免疫功能的基因和细胞通路在这两个器官中变得更加活跃。

然后，研究人员将两种类型的T细胞添加到系统中：CD4 T调节细胞，它抑制其他免疫细胞;TH17细胞，它刺激炎症反应。

将这些T细胞加入到内脏-肝脏的相互作用中，会迅速增加炎症反应，重现IBD和自身免疫性肝病的某些特征。

最后，研究人员决定研究短链脂肪酸（SCFAs）分子在炎症疾病中的潜在作用。这些分子是由人体肠道内的微生物产生的。

虽然这些化合物对人体有许多有益的作用，包括减少炎症，但近年来的一些研究表明，SCFAs也可以通过刺激炎症而造成伤害。

麻省理工学院的这项新研究发现，在溃疡性结肠炎模型中加入SCFAs会大大加剧肝脏和肠道的炎症，但前提是已经存在T细胞。

“基于这些研究，我们形成的假设是，短链脂肪酸的作用似乎取决于适应性免疫系统（包括T细胞）的参与程度，”Trapecar说。

也就是说，在炎症的早期，当T细胞没有大量参与时，SCFAs可以帮助减少炎症。

但是当许多效应T细胞被募集时，SCFAs会刺激它们产生更多的炎症。

这可能在感染的情况下有用，帮助身体抵御入侵者，但它也会加速自身免疫性疾病。

格里菲斯的实验室现在正致力于利用MPS系统来阐明SCFAs和帕金森病之间的联系。

研究人员还计划研究其他复杂的疾病，希望他们的研究结果将有助于指导目前难以治疗的疾病的新疗法的开发。

这项研究由美国国防高级研究计划局、国家卫生研究院、国家生物医学成像与生物工程研究所、国家环境卫生科学研究所、国家癌症研究所的科赫研究所支持（核心）赠款和佩尔-斯图尔特信托基金会资助。

人造器官的“另辟蹊径”

目前，关于人造器官已经有着不少实验，但研究人员们采用的方法不尽相同。

美国德克萨斯大学医学院所制造出的“人造猪肺”采用的就是不同的方法。他们首先通过糖、清洁剂等用品将猪肺里的细胞和血液全部清理，只留下蛋白质作为肺器官的“骨架”，再在每个支架上都添加从受体猪肺中提取的细胞，并将肺支架放在盛有特殊营养液的水池里，以培育出真正的猪肺。这种形式实际上还是利用了自然的器官结构。

《科学》曾报道的美国卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的科学家们的3D生物打印技术复制人类心脏结构，则是使用天然的胶原蛋白做3D打印的生物墨水。这种3D打印技术以明胶作为支撑床，让胶原蛋白在支撑胶中逐层沉积和凝固。打印完成后，研究人员再改变温度让支撑用的明胶融化。