前沿进展：为什么要做类器官串联共培养？多个类器官串联共培养的价值和意义

前沿进展：为什么要做类器官串联共培养？多个类器官串联共培养的价值和意义

翻译整理：北京佰司特科技有限责任公司

神经球和肝脏在芯片上的串联共培养

2015, Journal of Biotechnology

A multi-organ chip co-culture of neurospheres and

liver equivalents for long-term substance testing

目前用于药物开发的体外实验平台无法模拟人体器官的复杂性，而人类和实验室动物的系统差异巨大，因此现有的方案都不能准确预测药物的安全性和有效性。德国、葡萄牙和俄罗斯的研究团队通过TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平台，测试毒物对多器官的作用，揭示了基于微流控的多器官串联共培养能够更好的模拟人体的生理学环境。在体外培养条件下，由于氧气和营养供应有限，类器官培养往往会随着时间的推移而去分化。然而微流控系统中通过持续灌注培养基，更好地控制环境条件，如清除分泌物和刺激因子，并且培养基以可控流速通过，以模拟血流产生的生物剪切应力，因此类器官培养物可以保持良好的生长状态。

双器官串联芯片（2-OC）能够串联共培养人的神经球（NT2细胞系）和肝脏类器官（肝HepaRG细胞和肝HHSteC细胞）。在持续两周的实验中，反复加入神经毒剂2,5-己二酮，引起神经球和肝脏的细胞凋亡。跟单器官培养相比，串联共培养对毒剂更敏感。因此，多器官串联共培养在临床研究中可以更准确地预测药物的安全性和有效性。推测这是因为一个类器官的凋亡信号导致了第二个类器官对药物反应的增强，这一推测得到了实验结果的支持，即串联共培养的敏感性增加主要发生在较低浓度药物中。

在体内，每个器官都保持着自己的独立性，同时通过血液中的细胞和因子，与其他器官保持相互通讯。保持体外培养物的表型的同时，如何维持组织和器官间的通信一直是该领域的一个挑战。所以，将几种类器官串联在一个共同的培养基的循环中，通过分泌的因子进行通讯和交流。模拟多器官之间的交流，可以研究每个器官代谢的产物对其他器官产生的影响，以及环境因子对于多器官的系统性效应。

Anja Patricia Ramme 等科学家通过TissUse GmbH公司的MOC平台，结合微生理系统循环中人体器官的特点，设计了一个四器官串联芯片（4-OC），将小肠、肝脏、神经球和肾脏等器官串联起来培养，四种类器官均由来自同一健康供体的诱导多能干细胞预分化，在不含组织特异性生长因子的培养基中共培养14天。类器官串联共培养平台为研究器官-器官相互作用、系统稳态和药代动力学、疾病诱导和药物作用提供了一个更快、更准确、更经济、更具有临床相关性的方案。

另外，哥伦比亚大学的科学家也开发了一种多器官串联芯片，建立了串联共培养心脏、肝脏、骨骼、皮肤的技术，发表于2022年的Nature Biomedical Engineering，中通过血液循环串联培养4个类器官，保持了各个类器官的表型，还研究了常见的抗癌药阿霉素对串联芯片中的类器官以及血管的影响。结果显示药物对串联共培养类器官的影响与临床研究结果非常相似，证明了多器官串联共培养能够成功的模拟人体中的药代动力学和药效学特征。 “值得注意的是，多器官串联芯片能够准确的预测出阿霉素的心脏毒性和心肌病，这意味着，临床医生可以减少阿霉素的治疗剂量，甚至让患者停止该治疗方案。“    ----- Gordana Vunjak-Novakovic, Department of Biomedical Engineering, Columbia University

胰岛和肝脏在芯片上的串联共培养

2017, Nature Scientific Reports Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model

人类系统性疾病的发生过程都是通过破坏两个或多个器官的自我平衡和相互交流。研究疾病和药疗就需要复杂的多器官平台作为体外生理模型的工具，以确定新的药物靶点和治疗方法。2型糖尿病（T2DM）的发病率正在不断上升，并与多器官并发症相关联。由于胰岛素抵抗，胰岛通过增加分泌和增大胰岛体积来满足胰岛素不断增加的需求量。当胰岛无法适应机体要求时，血糖水平就会升高，并出现明显的2型糖尿病。由于胰岛素是肝脏代谢的关键调节因子，可以将生产葡萄糖的平衡转变为有利于葡萄糖的储存，因此胰岛素抵抗会导致糖稳态受损，从而导致2型糖尿病。过去已经报道了多种表征T2DM特征的动物模型，但是，从动物实验进行的研究往临床上转化的效果不佳。更重要的是，目前使用的药物，虽然能缓解糖尿病症状，但对疾病进一步发展的治疗效果有限。

胰腺和肝脏是参与维持葡萄糖稳态的两个关键器官，为了模拟T2DM，阿斯利康（AstraZeneca）的科学家利用TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平台，通过微流控通道相互连接，建立一个双器官串联芯片（2-OC）模型，实现芯片上胰腺和肝脏类器官的串联共培养，在体外模拟了胰腺和肝脏之间的交流通讯。

建立串联共培养类器官（胰岛+肝脏）和单独培养类器官（仅胰岛或肝脏），在培养基中连续培养15天，串联共培养显示出稳定、重复、循环的胰岛素水平。而胰岛单独培养的胰岛素水平不稳定，从第3天到第15天，降低了49%。胰岛与肝球体串联共培养中，胰岛可长期维持葡萄糖水平，刺激胰岛素分泌，而单独培养的胰岛，胰岛素分泌显著减少。胰岛分泌的胰岛素促进了肝球体对葡萄糖的利用，显示了串联共培养中类器官之间的功能性交流。在单独培养中的肝球体中，15天内循环葡萄糖浓度稳定维持在~11 mM。而与胰岛共培养时，肝球体的循环葡萄糖在48小时内降低到相当于人正常餐后的水平度，表明胰岛类器官分泌的胰岛素刺激了肝球体摄取葡萄糖。

T2DM是一种多器官疾病，疾病表型和对药物的反应依赖于具有*代谢功能的器官和它们之间的相互作用。这篇文章提出了一个胰岛和肝球体之间的类器官串联共培养的模型。

与单一培养相比，在GTT（葡萄糖耐量测验）第一天内，串联共培养中的血糖水平从高浓度降至正常范围，随后保持平衡。在没有胰岛素刺激时，单独培养类器官（仅胰岛或肝脏）中的葡萄糖水平一直保持在高浓度。

通过测量胰岛在葡萄糖负荷下释放到培养基中的胰岛素水平来评估肝脏和胰岛的串联共培养的作用。胰岛素促进了肝球状体对葡萄糖的利用，在共培养中葡萄糖维持在正常水平，而单独培养中葡萄糖水平一直偏高。因为，串联共培养中，分泌到循环中的胰岛素刺激了肝球体对葡萄糖的摄取，随着葡萄糖浓度的降低，胰岛素分泌会随之减少，这就表明肝脏和胰岛之间存在一个功能反馈回路。

长期暴露于高糖水平下，缺乏肝球体的胰岛释放胰岛素的能力会降低，提示了长期高血糖损害胰岛功能。另外，与单层HepaRG细胞相比，受刺激和未受刺激的AKT磷酸化比例在肝球体中明显更高，这表明3D培养环境更利于模拟人体内的生理反应。

这些结果鼓励我们建立2-OC模型来模拟T2DM的特征，通过胰岛-肝脏串联共培养揭示与T2DM疾病相关的机制，包括β细胞衰竭、胰岛素抵抗、脂肪变性、脂肪性肝炎和肝硬化。多器官芯片（MOC）的发展目标是建立各种不同的器官组合模型，用于药物有效性和安全性评估以及药动学/药效学(PK/PD)测试。