用于構(gòu)建神經(jīng)退行性疾病模型的微流控類器官芯片研究進展

隨著醫(yī)療保健技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的預(yù)期壽命逐漸延長，老齡化人口也相應(yīng)增加，這使得神經(jīng)退行性疾病（ND）的發(fā)病率呈現(xiàn)出上升趨勢。然而，傳統(tǒng)的動物模型和2D細胞培養(yǎng)模型在模擬人類病理生理條件方面存在諸多不足，如無法準確模擬復(fù)雜的病理損傷以及忽視多發(fā)性病例等問題。

鑒于現(xiàn)有模型的這些局限性，我們迫切需要開發(fā)更為先進的體外模型。這些模型應(yīng)能夠準確復(fù)制各種生理條件，多細胞類型和細胞間的相互作用，同時還應(yīng)具備實時監(jiān)測和調(diào)控的能力。通過這樣的模型，我們可以更深入地研究ND的病理過程，為疾病的預(yù)防和治療提供更為有效的策略。

最近，一些替代培養(yǎng)系統(tǒng)如3D細胞培養(yǎng)、3D生物打印的組織工程和微流控技術(shù)，作為傳統(tǒng)體外模型的替代品出現(xiàn)，以提供更可靠和更具代表性的人體系統(tǒng)。其中，微流控技術(shù)能夠復(fù)制器官的關(guān)鍵元素，并精確控制生物化學和生物力學方面，為疾病研究提供了高通量、生理相關(guān)且成本效益高的解決方案。通過結(jié)合先進的生物和工程技術(shù)，基于芯片的體外建模正在擴大其可能性，如使用2D和3D微流控芯片模擬ND。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自韓國成均館大學（Sungkyunkwan University）等機構(gòu)的研究人員討論了使用微流控芯片建立ND模型的一般策略，并介紹了作為下一代先進相關(guān)模型的類器官芯片。最后，研究人員概述了這些模型在學術(shù)和工業(yè)藥物開發(fā)中的應(yīng)用情況?？傮w而言，微流控芯片、干細胞和生物技術(shù)器件的整合有望為生物醫(yī)學研究以及ND診斷和治療方案的開發(fā)提供有價值的見解。相關(guān)論文以“Neuropathogenesis-on-chips for neurodegenerative diseases”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

基于微流控芯片的ND模型構(gòu)建方法

（1）選擇細胞源

人腦由眾多神經(jīng)元和非神經(jīng)元細胞構(gòu)成，從而形成復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。腦血管細胞在疾病中扮演關(guān)鍵角色。每種腦細胞存在不同亞型，展現(xiàn)其復(fù)雜性。由于進入人腦的限制，需要開發(fā)具有區(qū)域特異性特征的源細胞方法，這在ND建模中尤為重要?，F(xiàn)有的ND體內(nèi)和體外動物模型提供了有價值的見解，但存在局限性。外部方法和非哺乳動物物種也被用于ND研究。人類胚胎干細胞（hESC）和誘導(dǎo)神經(jīng)分化方法也被用于模擬ND，但存在倫理問題和其他需要改進的方面。家族性和散發(fā)性患者來源的誘導(dǎo)多能干細胞（iPSC）是另一個候選細胞來源，能產(chǎn)生與人類相關(guān)的病理表型。盡管動物模型發(fā)揮著重要作用，但人類患者來源的細胞更可能成為ND研究的可靠體外模型。

（2）選擇微流控芯片設(shè)計

芯片在大腦研究中被首次應(yīng)用于“Campenot室”系統(tǒng)，用于研究神經(jīng)生長因子對軸突生長的影響。隨后，研究人員通過模擬大腦的不同層次細胞，將大腦的復(fù)雜特征轉(zhuǎn)化為簡單和小型化的系統(tǒng)。微流控芯片由多個用于細胞共培養(yǎng)的室組成，這些室通過微通道、多孔膜和相位波導(dǎo)連接，允許不同細胞群之間的直接或間接相互作用。這種芯片設(shè)計可以控制神經(jīng)突生長方向、回路連接和大小，并創(chuàng)建不同類型的神經(jīng)元連接。此外，芯片上的閥門和外部因素可用于控制流體流動和細胞環(huán)境，從而模擬不同濃度的化學物質(zhì)梯度，對疾病建模有重要作用。多孔膜基芯片作為隔室之間的接口，可以實現(xiàn)間接和直接的相互作用，用于模擬血腦屏障等結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計提供了更多維度的交互，有助于深入研究大腦的復(fù)雜特征。

（3）監(jiān)控和分析步驟

微流控芯片在監(jiān)測和分析方面具有多個優(yōu)點，如實時監(jiān)測、多組學分析和整合生物傳感器等。大多數(shù)微流控芯片由透明光學材料制造而成，通過流體通道入口引入非常少量的染色染料和抗體可檢測生物標志物，但需防污染和氣泡。集成生物傳感器可連續(xù)測量細胞特性，評估細胞響應(yīng)。芯片腦可測量血腦屏障完整性和神經(jīng)元電信號。芯片外分析工具可用于分析樣品。開放芯片設(shè)計提供了更多優(yōu)勢，如暴露于化學成分、簡化收集和分析，但需注意流體流動的可控性。

（4）ND發(fā)病機制建模的應(yīng)用

為了研究神經(jīng)相關(guān)疾病，可通過匹配的芯片設(shè)計復(fù)制相關(guān)解剖和生理單元。然而，現(xiàn)有的微流控芯片研究受限于細胞來源和2D靜態(tài)設(shè)計，缺乏生理學相關(guān)性。2D系統(tǒng)無法模擬復(fù)雜的相互作用和生理條件，影響細胞的功能和體內(nèi)相關(guān)性。相比之下，3D細胞外基質(zhì)（ECM）凝膠提供了更真實的細胞環(huán)境，改善了細胞形態(tài)、遷移和信號傳導(dǎo)，允許時間依賴性分化和神經(jīng)退行性變化。為了創(chuàng)造3D微環(huán)境，需要考慮ECM的特性，這些特性影響腦細胞行為和疾病機制。水凝膠已集成到微流控芯片中，以模擬更生理相關(guān)的腦組織環(huán)境。

ND芯片應(yīng)用案例

（1）阿爾茨海默?。?a target="_blank">AD）芯片

微流控芯片已廣泛應(yīng)用于AD發(fā)病機制的研究，包括Aβ和tau病變、線粒體功能障礙和神經(jīng)炎癥等，提供了傳統(tǒng)培養(yǎng)方法無法獲得的新見解。芯片可以實時可視化蛋白質(zhì)病變，并發(fā)現(xiàn)tau蛋白的傳播特性。同時，微流控芯片可以模擬體內(nèi)動態(tài)條件，如間質(zhì)流速和Aβ聚集體梯度形成，以研究Aβ對神經(jīng)元的毒性作用。此外，芯片還用于研究家族性AD特異性突變基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的人類神經(jīng)祖細胞，以及星形膠質(zhì)細胞和致病蛋白在神經(jīng)炎癥中的作用。通過整合不同類型的細胞，芯片可以揭示神經(jīng)炎癥的分子機制。近年來，研究還關(guān)注腦特征如血腦屏障和神經(jīng)血管單位在AD發(fā)病機制中的作用。微流控芯片與3D培養(yǎng)的結(jié)合，以及淋巴流動模擬，為探索體內(nèi)類似條件提供了更多可能性。這些研究有望為AD的藥物篩選和治療策略提供新的線索。

（2）帕金森病（PD）芯片

現(xiàn)有的PD芯片研究多集中在α-syn相關(guān)發(fā)病機制上，而涉及多巴胺能神經(jīng)元的研究較少。研究者利用微流控芯片模擬PD中多巴胺能神經(jīng)元凋亡和α-syn的傳播。芯片設(shè)計能清晰觀察α-syn纖維攝取及其在神經(jīng)元間的運輸。研究還探討了α-syn低聚物對突變體PD患者神經(jīng)元的毒性。另外，通過微閥控制流體動力學的芯片，成功演示了α-syn的攝取和擴散。多室芯片能模擬神經(jīng)元間α-syn的傳播，并成功再現(xiàn)復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。微流控芯片還應(yīng)用于研究多巴胺能神經(jīng)元在PD中的受損情況，血腦屏障在PD發(fā)病中的作用，以及星形細胞活性與血腦屏障功能障礙和炎癥的關(guān)系。

（3）肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）芯片

基于新發(fā)現(xiàn)的遺傳因素，研究者開發(fā)了嚙齒動物模型來研究ALS，這些模型主要反映家族性ALS，并在體外揭示了與ALS相關(guān)的細胞過程功能障礙。盡管已存在研究有毒蛋白聚集和傳播的微流控芯片模型，但尚未有針對散發(fā)性ALS的特定模型。神經(jīng)炎癥是ALS的一個致病特征，微流控培養(yǎng)系統(tǒng)可用于模擬星形膠質(zhì)細胞對神經(jīng)元的影響。利用微流控芯片的區(qū)隔化元素，研究者共培養(yǎng)了肌細胞和運動神經(jīng)元以研究ALS中的NMJ損傷。這些模型重現(xiàn)了ALS的某些特征，但使用人類特異性運動神經(jīng)元和原始嚙齒動物肌纖維時可能失去生理學相關(guān)性。其中一種定制的3D微流控芯片能夠共同培養(yǎng)患者來源的運動神經(jīng)元球體和骨骼肌母細胞，并成功重現(xiàn)了ALS的某些病理過程。

（4）亨廷頓氏舞蹈癥（HD）芯片

微流控芯片在HD研究中的應(yīng)用相對較少。這些芯片主要模擬皮質(zhì)紋狀體網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)在HD中易受損。研究利用轉(zhuǎn)基因小鼠神經(jīng)元在芯片上探索mHTT對神經(jīng)回路的毒性。芯片設(shè)計允許觀察紋狀體神經(jīng)元退化和突觸減少，以及mHTT導(dǎo)致的運輸缺陷。研究小組還利用芯片研究藥物靶標，如APT1抑制劑ML348，可改善運動缺陷和行為改變。此外，五室芯片模擬基底神經(jīng)節(jié)回路，展現(xiàn)不同細胞群間的連接。集成MEA的微流控芯片能實時分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，檢測亨廷頓蛋白對回路的影響。電刺激微流控芯片是改進方向之一，能重現(xiàn)并測量皮質(zhì)紋狀體回路的神經(jīng)元活動，但尚未應(yīng)用于HD研究。

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用于ND建模的微流控芯片示例

基于微流控芯片的體外3D模型

腦類器官能模擬不同細胞組成的疾病特異性腦區(qū)域，如前腦、中腦和后腦。研究人員使用多種方法模擬ND，但多限于家族病例。針對ND中不同腦區(qū)域間的相互作用，Pasca等人創(chuàng)建了組合類器官（腦組裝體），以更好地概括區(qū)域間的相互作用，并應(yīng)用于多種疾病模型。Kong等人開發(fā)的融合皮質(zhì)血管集合體，可模擬系統(tǒng)性炎癥對AD神經(jīng)炎癥的加速作用。Rickner等人則生成了神經(jīng)-星形膠質(zhì)細胞組裝體，展現(xiàn)了一些病理變化，并對治療有反應(yīng)。然而，類器官模型在研究ND方面仍存在爭議，目前更適合模擬神經(jīng)發(fā)育障礙，但其在細胞組成、解剖特征和腦卷積方面的成熟結(jié)果也令人鼓舞。

近年來，人們設(shè)計了多種類器官培養(yǎng)平臺，旨在改善類器官的體內(nèi)特征、成熟度和均勻性，同時減少培養(yǎng)時間和勞動量。這些平臺具備與免疫和血管成分合作的能力，并可配合生物成像和生物傳感器進行有效分析。一些研究通過“一站式”微流控平臺解決了傳統(tǒng)類器官培養(yǎng)方案中的問題，實現(xiàn)了培養(yǎng)、維護和監(jiān)測的全程自動化。此外，3D培養(yǎng)中的支架材料和微流控芯片設(shè)計也發(fā)揮了重要作用，促進了類器官的成熟和特征發(fā)展。同時，血管化和免疫相互作用的模擬對于進一步表征腦類器官至關(guān)重要。微流控芯片還可以與生物成像設(shè)備和生物傳感器集成，實現(xiàn)精確的監(jiān)測和分析。

具有代表性的片上類器官設(shè)計

基于微流控芯片的體外模型在藥理學領(lǐng)域的應(yīng)用前景

（1）ND藥物開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

盡管在疾病理解和技術(shù)創(chuàng)新方面取得了實質(zhì)性進展，但開發(fā)非傳染性疾病的有效治療方法仍具挑戰(zhàn)性。最近AD治療有所突破，但新藥的有效性僅針對特定階段，且Aβ-抗抗體在人類認知中的效果存在爭議?？紤]到ND的多因素和異質(zhì)性，仍需更多努力擴大藥物有效性。此外，開發(fā)過程需成本效益高且省時。過去AD藥物開發(fā)投入巨大但成果有限，失敗原因包括干預(yù)時機不當、生物標志物不足和研究模型不準確。家族性基因工程小鼠模型存在局限性，不能完全復(fù)制ND特征，且長期保存昂貴耗時。因此，將研究轉(zhuǎn)向更生理相關(guān)的人類細胞體外模型，結(jié)合新藥特征，有望降低成本和時間，產(chǎn)生更具代表性的測試結(jié)果。

（2）微流控芯片在制藥行業(yè)中的應(yīng)用

近二十年來，體外模型在學術(shù)界逐漸發(fā)展，但制藥行業(yè)尚未采納微流控芯片。隨著FDA政策轉(zhuǎn)向使用更多人類相關(guān)模型進行藥物測試，學術(shù)界和制藥行業(yè)開始使用芯片上的器官和基于器官的模型。一些大型制藥公司已使用類器官和微流控芯片提高藥物篩選準確性。全球也在努力將學術(shù)成果轉(zhuǎn)化為制藥行業(yè)，利用標準化和可重復(fù)的藥物篩選方法。美國國立衛(wèi)生研究院啟動了贈款項目，驗證用于藥物測試的組織芯片平臺，包括復(fù)制腎臟、肝臟和血腦屏障的微生理系統(tǒng)，以提高其應(yīng)用的可靠性、可重復(fù)性、穩(wěn)健性和吞吐量。

（3）用于學術(shù)層面藥物篩選的微流控芯片

制藥行業(yè)在解決可重復(fù)性和可擴展性問題上持續(xù)努力，同時學術(shù)領(lǐng)域也在芯片上進行潛在ND藥物成分的藥物篩選和毒性研究。許多公司提供微流控芯片供研究人員用于疾病機制、藥物篩選和毒性的研究。一些研究小組已經(jīng)利用這些芯片對先前被拒絕的候選藥物進行了重新評估。此外，單層培養(yǎng)方法常用于藥物發(fā)現(xiàn)，但3D細胞培養(yǎng)和患者來源的類器官被認為能提供更接近體內(nèi)特征的模型，有望提高臨床預(yù)測性。學術(shù)界已經(jīng)開始將類器官應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)研究，這些研究不僅評估了藥物對功能性3D共培養(yǎng)的影響，還評估了藥物通過內(nèi)皮細胞（EC）屏障的傳遞。新型類器官培養(yǎng)藥物篩選平臺也展現(xiàn)出患者源性類器官在ND藥物篩選中的潛力。

（4）先進微流控芯片在制藥行業(yè)的應(yīng)用前景

全球合作努力整合微流控芯片與先進技術(shù)，有望徹底改變制藥行業(yè)。類器官芯片和多器官芯片系統(tǒng)在藥物發(fā)現(xiàn)中起關(guān)鍵作用，從靶標識別到臨床前篩選，甚至可用于臨床階段決定患者亞型的有效治療。然而，實現(xiàn)這一目標需克服可靠性、可重復(fù)性、兼容性等技術(shù)和工業(yè)挑戰(zhàn)，同時需要定義驗證和建?；鶞?。先進的芯片系統(tǒng)能驗證藥物對神經(jīng)病理的影響，測量功能變化，為ND提供臨床相關(guān)評估。多器官芯片平臺可測試藥物作用機制、安全性等，減少動物模型依賴，提供更具代表性、成本效益和準確的結(jié)果?；颊邅碓吹募毎纯纱龠M有效治療發(fā)展。未來，微流控芯片將為腦類器官和組裝體翻譯及ND藥物發(fā)現(xiàn)和個性化醫(yī)療發(fā)展做出貢獻，盡管面臨生物、技術(shù)和商業(yè)挑戰(zhàn)，但微流控芯片和分子生物物理技術(shù)有望促進對ND發(fā)病機制的理解，減少對動物模型的依賴。

用于藥物開發(fā)的片上ND的未來展望

綜上所述，該論文探討了利用先進的體外系統(tǒng)來模擬不同類型的神經(jīng)退行性疾病，為生物醫(yī)學研究和藥物開發(fā)提供了寶貴的見解。傳統(tǒng)的2D和靜態(tài)條件下的微流控芯片在模擬神經(jīng)退行性疾病時存在生理學上的局限性，而采用3D細胞外基質(zhì)凝膠可以提供細胞更多的機械結(jié)構(gòu)和生化信號，從而改善細胞形態(tài)、遷移行為、信號傳導(dǎo)和基因表達等方面的相關(guān)性。此外，文中還提到了神經(jīng)退行性疾病的病理生理機制，如Tau蛋白的傳播和聚集，以及細胞外基質(zhì)對疾病發(fā)生發(fā)展的重要性。本綜述有助于讀者更好地了解神經(jīng)退行性疾病研究領(lǐng)域的最新進展和未來發(fā)展方向。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46554-8