肺作為呼吸系統(tǒng)的一部分，是人體負責(zé)與外界氣體交換的主要器官。而正因為與外界環(huán)境有著直接的接觸，肺部很容易受到各種急性或慢性疾病的困擾，如哮喘、肺結(jié)核或者慢性阻塞性肺病甚至肺癌。這些疾病使得肺功能衰竭成為世界上最主要的死因之一，尤其是洶涌而來的新冠肺炎，已成為全世界的重要公共衛(wèi)生問題，更引起了人們對肺部疾病的重視和關(guān)注。因此，研發(fā)有效、可靠的體外肺部模型用于機理研究及藥物篩選等迫在眉睫。
雖然當(dāng)前肺器官芯片模型已經(jīng)較為完善，但是大多數(shù)都集中在模擬上呼吸道，而現(xiàn)有的肺泡模型（包括肺泡芯片）和機體的肺泡在結(jié)構(gòu)、功能上都存在著本質(zhì)差異。哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授課題組利用反蛋白石原理，構(gòu)建了類生理結(jié)構(gòu)、會“呼吸”的三維肺泡結(jié)構(gòu)。肺泡內(nèi)壁附著肺泡上皮細胞，在周期性“擴張-收縮”作用下，肺泡可吸入不同氣體如空氣、煙、新冠病毒等，根據(jù)細胞功能表達情況，可為肺相關(guān)疾病檢測提供快速、可靠和強大的體外分析平臺，是一種較低成本、有巨大潛力的新方法，有助于人們闡明肺部疾病的復(fù)雜病理生理機制以及加速肺部相關(guān)疾病的藥物研發(fā)。
在這個模型中，作者利用反蛋白石結(jié)構(gòu)和肺泡結(jié)構(gòu)的高度相似性，成功以GelMA為基質(zhì)，復(fù)刻了肺泡的三維結(jié)構(gòu)、細胞外基質(zhì)的理化性質(zhì)和力學(xué)性能等。同時，外圍的PDMS芯片不僅可以通過位于GelMA支架下方的微流控通道為其中的肺泡上皮細胞提供營養(yǎng)，實現(xiàn)氣-液培養(yǎng)模式，同時通過控制芯片單元兩側(cè)真空腔的運動，賦予了芯片呼吸的功能（圖1）。
圖1. 逆向工程的肺泡芯片示意圖。
為證明三維支架相對于二維表面培養(yǎng)的優(yōu)越性，作者從細胞形態(tài)、細胞活性、細胞轉(zhuǎn)錄組測序等多個方面入手（圖 2），通過研究分析發(fā)現(xiàn)，這種和體內(nèi)更接近的三維結(jié)構(gòu)能夠為肺泡上皮細胞提供更好的微環(huán)境，更利于其生長和功能化。
圖2. 2D和3D肺泡上皮細胞培養(yǎng)的對比。
在完成了肺泡芯片的研發(fā)之后，作者基于該芯片成功構(gòu)建了吸煙引起的肺急性損傷模型和偽新冠病毒感染模型（圖3）。在吸煙模型中，作者從不同的方面，包括細胞活性、上皮細胞之間緊密連接蛋白表達情況、細胞凋亡行為以及細胞因子蛋白表達等多個方面研究了吸煙行為對肺泡上皮細胞的損傷；在偽新冠病毒感染模型中，作者探究了幾種抗病毒藥物，包括阿莫地喹（amodiaquine）、瑞德西韋（remdesivir）和羥化氯喹（hydroxychloroquine）對于細胞病變的抑制作用。
圖3. 基于逆向工程的肺泡芯片的吸煙模型和偽冠狀病毒感染模型。
該文章以 “Reversed-Engineered Human Alveolar Lung-on-A-Chip Model”為題發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）上。太原理工大學(xué)黃棣（訪問學(xué)者）、第九七一醫(yī)院劉挺挺（訪問學(xué)生）、東南大學(xué)廖俊龍（訪問學(xué)生）及哈佛醫(yī)學(xué)院Sushila Maharjan（博后）為論文的共同第一作者，通訊作者為哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授。論文其他作者還包括瑞士Ente Ospedaliero Cantonal/意大利Politecnico di Milano/意大利IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi的Matteo Moretti教授、復(fù)旦大學(xué)中山醫(yī)院張煒佳教授、東南大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院院長顧忠澤教授和英國諾丁漢大學(xué)Amir Ghaemmaghami教授等來自多個國家高校院所的研究人員。
論文鏈接：https://www.pnas.org/content/118/19/e2016146118
