器官芯片開拓新冠感染機制研究新視角

　　近日，大連化物所微流控芯片研究組（1807組）秦建華研究員團隊受邀發表綜述文章，系統總結了該團隊在利用器官芯片開展感染性疾病研究方面的一系列成果，并對該領域的未來發展進行了展望。

　　感染性疾病多指由各種常見病原體（如細菌、真菌、病毒和寄生蟲等）引起的機體疾病，可引起人體全身性病理癥狀，嚴重者可導致高發病率和死亡率。例如，20世紀流感病毒引發H1N1等多次疫情；2002年冠狀病毒SARS引發的急性呼吸道傳染病；2019年出現的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2），已導致全球大流行，嚴重威脅人類健康。目前，針對感染性疾病研究模型主要依賴于細胞和動物試驗，但這些實驗模型在不同程度上仍存在一定局限。在單層細胞上的病原體培養方式往往缺少體內復雜動態的組織微環境和機體免疫反應，動物模型則由于存在物種差異，難以反映人體的真實反應。因此，建立能準確反映人類病理生理特征的新型實驗模型體系，對于感染性疾病機制研究及有效診療等具有重要意義。

　　器官芯片是近年發展起來的一種前沿交叉科學技術，它融合了物理、化學、工程學和生物學等多學科方法，可在體外模擬包含多細胞組成，組織-組織界面，機械流體等多因素的復雜細胞微環境，反映組織器官的關鍵結構與功能特點，在疾病模型、機理研究和新藥研發等方面具有重要應用潛力，也為感染性疾病研究提供了新策略和新方法。

　　本綜述首先概述了器官芯片應用于病原體感染研究的最新進展，通過一些代表性實例向讀者展示了利用該技術開展病原-宿主相互作用研究的特點和技術優勢。例如，血管組織模型用于模擬研究埃博拉病毒感染引起的出血性綜合征；肝組織芯片用于研究乙肝病毒感染，并呈現出近體內的生物學反應等。針對新冠肺炎的暴發，秦建華團隊率先利用器官芯片技術開展了新冠病毒對肺組織和腸組織感染研究：利用自行構建的三維肺泡組織和腸組織感染模型，揭示了新冠病毒感染導致人肺泡-毛細血管屏障和腸組織損傷的主要病理特征，并探討了外周免疫細胞介導病毒感染導致的炎癥反應和組織屏障功能障礙的潛在機制（Advanced Science，2020；Science Bulletin，2021；Cell death & Disease，2020）。基于器官芯片的體外模型，可在組織器官水平反映新冠病毒感染中多細胞復雜因素參與的病原-宿主相互作用。更重要的是，器官芯片可見證細胞間相互作用以及免疫細胞介導的炎癥過程，并可延伸用于多器官累及的復雜感染性疾病研究，為病毒感染致病機制和藥物發現等提供了新型實驗體系。

　　此外，秦建華團隊還嘗試了利用器官芯片研究由細菌導致的常見感染性疾病。例如，孕期宮內感染，包括病原菌及其引起的相關炎癥反應是導致早產或流產的重要危險因素，目前尚缺乏研究早期宮內感染的體外模型。秦建華團隊利用人源性胎盤細胞和干細胞，建立了三維動態的胎盤屏障和羊膜組織模型，研究宮內細菌感染導致的胎盤炎癥和絨毛膜羊膜炎等疾病。這些工作為加深認識和理解宮內感染及其不良妊娠結果，尋求有效治療策略等提供了新的思路。最后，綜述探討了開發新一代人類器官病理生理模擬系統的迫切性和面臨的挑戰，這將為重大感染性疾病研究以及極端條件實驗等提供新的技術平臺。

　　近年來，秦建華團隊主要致力于器官芯片、干細胞衍生類器官及其與生命科學的前沿交叉研究，系統建立了一系列具有人體生理關聯性的體外組織和類器官模型體系，探究組織器官發育及相關疾病機制，為在系統層面開展醫學研究和藥物發現等提供新的策略和思路。

　　該綜述以“Microfluidic Organs-on-a-Chip for Modeling Human Infectious Diseases”為題，發表在《化學研究評述》（Accounts of Chemical Research）上。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00411