器官芯片助力開(kāi)發(fā)COVID-19并發(fā)癥治療新方案

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，多倫多大學(xué)（University of Toronto，U of T）的一個(gè)工程研究小組通過(guò)新型器官芯片（organ-on-a-chip）平臺(tái)發(fā)現(xiàn)了一種分子，具有治療由COVID-19（新型冠狀病毒肺炎）感染引起的嚴(yán)重的免疫反應(yīng)的潛力。

該分子是一種名為QHREDGS新型抗炎衍生肽。它不會(huì)直接作用于病毒，但會(huì)防止發(fā)生潛在的危及生命的免疫反應(yīng)——細(xì)胞因子風(fēng)暴。

據(jù)了解，細(xì)胞因子風(fēng)暴出現(xiàn)在部分COVID-19和一些其它疾病的患者中。當(dāng)人體在血液中釋放大量被稱為細(xì)胞因子的信號(hào)蛋白時(shí)，就會(huì)引起細(xì)胞因子風(fēng)暴。過(guò)多的細(xì)胞因子會(huì)使免疫系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而引發(fā)血管并發(fā)癥、多器官衰竭，甚至死亡。

COVID-19大流行期間，臨床醫(yī)生面臨的最大挑戰(zhàn)之一是了解為什么一些感染了SARS-CoV-2 （新型冠狀病毒）的人會(huì)經(jīng)歷細(xì)胞因子風(fēng)暴，而另一些感染者則不會(huì)。

由Milica Radisic教授（生物工程專業(yè)（BME）和化學(xué)工程專業(yè)（ChemE））領(lǐng)導(dǎo)的多倫多大學(xué)流體技術(shù)研究與應(yīng)用工程中心（Engineering’s Centre for Research and Applications in Fluidic Technologies，CRAFT）的研究人員，憑借他們?cè)谄鞴?a target="_blank">芯片技術(shù)方面的專業(yè)知識(shí)，正在進(jìn)行上述問(wèn)題的研究工作。

“基于人體細(xì)胞的器官芯片系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它使我們能夠通過(guò)簡(jiǎn)化系統(tǒng)和有策略地引入各種類型的免疫細(xì)胞來(lái)更好地了解生物反應(yīng)，從而剖析其復(fù)雜的過(guò)程?！盧adisic表示。

Radisic和她的團(tuán)隊(duì)是體外培養(yǎng)功能性心臟組織的專家。這類可實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的組織使研究人員能夠?qū)膊∵M(jìn)行建模，并了解心臟組織中的基因突變導(dǎo)致心力衰竭的過(guò)程。

“在COVID-19大流行期間，我們?cè)俅卫昧诵呐K組織平臺(tái)，以了解SARS-CoV-2如何導(dǎo)致血管功能障礙。”Rick Lu（生物工程博士候選人）說(shuō)道。

近期，該項(xiàng)研究成果發(fā)表在《芯片實(shí)驗(yàn)室》（Lab on a Chip）雜志上，Rick Lu和他的研究伙伴在論文中展示了他們是如何使用“評(píng)估動(dòng)態(tài)事件的集成脈管系統(tǒng)（InVADE）”的特定組織模型平臺(tái)進(jìn)行SARS-CoV-2的感染研究，這項(xiàng)研究得到了多倫多大學(xué)康諾特基金（Connaught Fund）、多倫多創(chuàng)新加速合作伙伴（Toronto Innovation Acceleration Partners）和多倫多大學(xué)捐助者的支持。

利用InVADE平臺(tái)，研究人員利用SARS-CoV-2感染了一個(gè)基于微納制造技術(shù)的可灌注血管芯片，以了解該病毒如何引發(fā)炎癥和血管功能障礙。

他們還篩選了5種此前已被臨床醫(yī)生測(cè)試過(guò)的具有抗炎特性的化合物，來(lái)確定其中是否有預(yù)防細(xì)胞因子風(fēng)暴潛力的化合物。

QHREDGS是一種先前已被發(fā)現(xiàn)可改善心肌細(xì)胞代謝和增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞存活率的衍生肽。在這項(xiàng)研究中，Rick Lu發(fā)現(xiàn)它可以增強(qiáng)血管功能，并修復(fù)SARS-CoV-2對(duì)人體造成的不良影響。例如，與沒(méi)有QHREDGS的內(nèi)皮細(xì)胞相比，含有QHREDGS的被稱為內(nèi)皮屏障的內(nèi)皮細(xì)胞，其血管結(jié)構(gòu)功能提高了62%，而引起細(xì)胞因子風(fēng)暴的分子分泌卻極大地減少了。

“血管功能障礙會(huì)導(dǎo)致SARS-CoV-2擴(kuò)散到人體器官，如心臟、肝臟和腸道等。”Rick Lu說(shuō)，“我們希望通過(guò)改善血管功能和減少體內(nèi)炎癥，預(yù)防COVID-19患者出現(xiàn)器官衰竭。”

血管芯片模型用于研究冠狀病毒引起的血管功能障礙，找到針對(duì)SARS-CoV-2感染的潛在治療方案（來(lái)源：CRAFT）

在Radisic的實(shí)驗(yàn)室，InVADE平臺(tái)被用于許多其它研究，包括研究“為什么在心臟中很少發(fā)現(xiàn)癌癥”。Rick Lu和他的同事們還通過(guò)血管芯片系統(tǒng)，來(lái)更好地了解COVID-19患者以及一些接種了COVID-19疫苗的群體出現(xiàn)心肌炎的原因。

該科研團(tuán)隊(duì)目前正在與多倫多的臨床醫(yī)生和研究人員合作，尋找與心肌炎相關(guān)的獨(dú)特的生物分子標(biāo)志物。

“目前，我們正在利用一些先天免疫系統(tǒng)，如外周血單核細(xì)胞（PBMC）和中性粒細(xì)胞，來(lái)觀察這些免疫細(xì)胞如何與心臟組織相互作用，以了解它們?nèi)绾斡绊懶呐K組織功能。”Rick Lu說(shuō)，“我們對(duì)此感到非常激動(dòng)，因?yàn)槲覀儾粌H能夠識(shí)別與心肌炎相關(guān)的一些分子的來(lái)源途徑，而且還希望找到潛在的治療方案來(lái)逆轉(zhuǎn)心臟中的這種炎癥造成的損傷。”

Radisic希望這類器官芯片系統(tǒng)可使研究人員能夠預(yù)測(cè)并更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)的公共衛(wèi)生事件。

“除了消除利用活體動(dòng)物的研究，以及保證臨床研究參與者的安全之外，器官芯片的小尺寸還使我們能夠高效地使用試劑，并通過(guò)將實(shí)驗(yàn)所需的病毒數(shù)量降至最低來(lái)保證安全性。”Radisic說(shuō)，“這項(xiàng)器官芯片技術(shù)可以快速、高效地研究新出現(xiàn)的病原體，以及其感染和損害人體各器官功能的風(fēng)險(xiǎn)程度。”

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/lc/d1lc00817j

審核編輯 ：李倩