器官芯片微系统“看清”新冠病毒致病机制

仙仙

记者2021年1月17日从中科院昆明动物研究所获悉，该所郑永唐团队与中科院大连化学物理研究所秦建华团队合作，利用器官芯片技术建立了一种体外肺器官微生理系统，模拟新冠病毒感染人体导致的肺组织损伤和免疫反应，为新冠病毒致病机制研究和快速药物评价等提供了新策略和新技术。


肺脏是新冠病毒感染的主要靶器官。新冠肺炎临床主要有发热、乏力、干咳等，重症患者还可累及多个脏器，出现多器官功能衰竭。目前仍缺乏特效药物和能够在组织器官水平反映人体对新冠病毒感染响应的研究模型，严重制约当前新冠病毒药物研发进程。


器官芯片融合了物理、化学、工程学和生物学等多学科方法，可在几平方厘米大小的流控芯片上仿生构建多种人体组织器官的微缩模型，用来反映人体器官的关键结构与生物功能。秦建华、郑永唐等人利用此项技术，从人体肺组织复杂结构与功能特点出发，在具有多层分腔设计的可灌注微芯片中模拟人体肺泡组织微环境。实验建立了包含多种人源细胞、机械流体和组织界面等复杂因素的功能性肺泡—毛细血管屏障，然后开展芯片上的新冠病毒感染实验。


结果显示，当芯片上肺泡侧上皮细胞暴露于新冠病毒后，上皮细胞内可见大量病毒复制，并出现肺组织屏障完整性破坏。转录组分析发现，新冠病毒感染在两种细胞中触发不同的响应机制。根据病毒载量计算，人肺泡上皮细胞呈现更强的病毒易感性，是病毒复制的主要场所，而人肺微血管内皮细胞中病毒载量较低，提示病毒可能通过感染肺上皮细胞间接影响内皮细胞。他们还发现，新冠病毒感染肺组织可能通过激活人体免疫细胞释放大量炎症因子，诱发肺微血管内皮损伤。利用此模型，研究团队还对抗病毒化合物的药效进行了初步测试和评价。


此项研究具有建模周期短、成本低、人源性和易于监测等特点，可得到传统方法难以获取的动态生物学信息，并可延伸用于多器官累及的新冠肺炎机理研究。相关成果已发表在国际著名期刊《先进科学》上。（科技日报记者赵汉斌）