《Biofabrication》：“生物新星”器官芯片现已加入病毒感染战役

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传染病仍然是全世界关注的公共卫生问题。COVID-19大流行期间，越来越多的资源被用于研究针对COVID-19刺突糖蛋白的治疗方法并开发各类疫苗。采用2D培养否定了多细胞相互作用和三维微环境，并且由于种间差异，动物模型无法模仿人类生理；另一方面，器官芯片(OoC)设备引入了一种改变游戏规则的方式来模拟人体组织中的病毒感染，促进抗病毒疗法的高通量筛选。

在此背景下，来自美国加州大学洛杉矶分校的Nureddin Ashammakhi、Tzung Hsiai团队概述了基于OoC的病毒感染体外建模，强调了未来的优势和挑战。相关研究成果以“Engineering organ-on-a-chip systems to model viral infections”为题于2023年2月6日发表在《Biofabrication》上。

1. OoC病毒感染模型

OoC系统是微流体装置，可以紧密地概括人体器官的物理微环境（图1）。尽管OoC从组织工程演变而来，但其目的是制造一个最小的功能单元，可以模拟组织和器官的功能水平。此外，OoC中的细胞会受到机械力的作用，例如剪切力、压缩、应变和拉伸，类似于它们在体内可能经历的情况。这种环境允许细胞组织和维持其类似于体内条件的形态和功能。

一般来说，OoC设备有一些共同的特点。通常，芯片主体包含容纳细胞的微通道或腔室，以及传感器、电极和阀门等其他元件。该芯片是光学透明的，便于成像。聚二甲基硅氧烷(PDMS)通常用于制造OoC器件，它具有允许氧气和二氧化碳等气体通过它扩散的优点。

此外，PDMS为细胞附着提供了一个无毒的表面。新鲜分离的细胞（如原代细胞和干细胞）都被认为是用于OoC的重要细胞来源。为了设计人类对病毒感染的相关反应，OoC模型可以结合所需组织的多种细胞类型来模拟天然组织。

图1 芯片中的病毒浓度和光镊

2. OoC设备在病毒感染和病理生理学研究中的应用

Bioinspired OoCs似乎是基础研究的有效技术，研究病毒相关组织特异性功能障碍的发病机制以开发新疗法。通过使用相关的OoC，研究人员将能够深入了解COVID-19等病毒感染的机制，从而预测有效的抗病毒治疗靶点的效果。

在这部分，作者首先介绍了COVID-19诱发的肺部疾病芯片。许多严重的COVID-19病例发展为进行性呼吸衰竭，部分原因是弥漫性肺泡损伤、炎症和肺炎导致死亡。因此，芯片上肺的3D模型可以通过正常和患病条件下的精确流体流动建立肺损伤模型和 SARS-CoV-2 诱导的免疫反应（图2）。

图2 感染甲型流感和SARS-CoV-2的气道芯片用于评估抗病毒治疗

此外，研究表明人类肺泡上皮细胞比微血管内皮细胞更容易感染 SARS-CoV-2。通过将人外周血单核细胞 (PBMC) 注入芯片的下血管室，将免疫细胞引入芯片。在 PBMC 存在的情况下感染 SARS-CoV-2 后，所有四种细胞因子的表达均升高，包括白细胞介素 1β (IL-1β)、IL-6、IL-8 和肿瘤坏死因子α (TNFα)，这证实了募集 PBMC 并增强肺组织中的炎症反应，类似于通常在体内观察到的反应（图3）。

图3 人肺泡芯片重现 SARS-CoV-2体外诱导的肺损伤和免疫反应

作者还在此部分介绍了使用远曲小管芯片(DTC)研究肾脏病毒感染。在一项研究中开发了DTC；它具有屏障结构和钠(Na)重吸收功能，以研究伪狂犬病病毒(PrV)如何诱导肾功能障碍和电解质调节紊乱。该DTC是一个三层芯片，包括代表DT管腔的流体通道、在膜上培养的肾细胞和代表间质液的静态流体井（图4）。

图4 由伪狂犬病病毒(PrV)诱导的远端小管芯片(DTC)，以研究电解质调节中病毒相关肾功能障碍的发病机制

利用微流控芯片研究神经系统病毒感染也是常用的应用。雪旺细胞和海马神经元被发现对轴突的病毒传播具有抵抗力。使用OoC研究各种病理变得越来越重要。在一项研究中作者使用3D打印设计了一种芯片神经系统，以生产包含用于轴突排列的微通道和用于细胞的腔室的芯片。他们利用雪旺细胞来证明它们参与了病毒感染的轴突到细胞的传播。这种微流体系统的使用有助于实现轴突中病毒转运机制的研究，其中可以模拟神经元细胞体和轴突隔室。

3. OoC和微流体OoC平台在抗病毒治疗研究中的应用

在此部分，作者主要介绍了OoC平台在抗病毒治疗研究中的应用，如芯片抗病毒药物的快速检测（图5）、微流体装置用于病毒疗法，如溶瘤病毒(OV)（图6）、使用微流控芯片进行角叉菜胶跟踪（图7）以及使用微流控芯片研究 COVID-19药物。

图5 实时和原位监测融合绿色荧光蛋白(GFP-PrV)的重组PrV感染过程的微流控平台

图6 具有集成介质流的3D体外MPS用于研究溶瘤病毒

图7 通过监测细胞耗氧率(OCR)来研究角叉菜胶对登革热病毒 (DENV)感染的抑制作用

4. 具有高通量筛选的片上病毒感染大数据集的生成

用于药物筛选的 OoC 研究导致产生了大量数据。这些系统允许足够数量的细胞，这些细胞可以在相同的微环境条件下培养，并在不同的时间点收集用于病毒标记物的分析，通过使用免疫测定、质谱、DNA 或 RNA 测序等技术。未来，不同细胞群的自动采样和分类将提高我们使用片上病毒感染系统生成高通量数据的能力。这可以加快病毒疗法的发展速度，赶上 COVID-19 等病毒感染在全球的快速传播。此外，借助人工智能，可以更好地管理从OoC系统获得的数据。

5. 当前的挑战和未来的前景

（1）需要开发采用基于人类细胞的仿生 OoC 装置的临床前相关体外人类病毒感染模型，以阐明病毒感染的潜在机制，包括细胞间病毒传播、宿主对感染的特异性反应、受控条件下的免疫细胞募集预测潜在的新型抗病毒药物的效果并开发个性化疗法；

（2）此外，一些病毒对许多器官都有影响，使用MoC模型可以帮助我们更好地了解系统病理机制、影响和各种治疗的系统效应；

（3）强烈建议概括天然组织以设计MoC临床前平台，以更好地了解宿主对SARS-CoV-2感染的反应。OoC平台的发展使得现在可以研究病毒的作用机制，以及病毒传播和与宿主细胞的相互作用，由于缺乏合适的模型，这些在历史上很难或不可能概括；

（4）尽管MoC的制造为传统的体内和体外研究提供了一种有吸引力的替代方案，但在更复杂的芯片和数据分析中评估功能更具挑战性。OoC平台与基于AI的算法相结合，将提高系统的吞吐量能力，并能够更好地预测特定于个体患者的生物标志物介导的疾病行为。

6. 结论

随着公共卫生问题的日益关注和对病毒感染的深入研究，特别是在COVID-19大流行出现之后，需要动员各种方法来研究人类病毒感染并开发适当的药物和疫苗。特别是，越来越多的证据支持使用OoC和MoC作为可靠的微生理学工具，可以概括体内环境并提供二维培养和动物实验的补充或替代。通过使用个体患者来源的细胞，预计微流体系统的使用将随着临床前或临床片上试验模式的增加而增加。进一步推进 OoC 领域需要采用多学科方法，为转化应用和扩大工业生产提供持续的资金和资源。

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