科技 新浪科技 科研人員利用器官晶元技術模擬新冠病毒感染誘發肺損傷和免疫反應

科研人員利用器官晶元技術模擬新冠病毒感染誘發肺損傷和免疫反應

中新網昆明1月13日電 中國科學院昆明動物研究所官方網站13日發布消息稱,中科院大連化學物理研究所秦建華研究員團隊與該所鄭永唐研究員團隊合作,利用器官晶元技術建立一種體外肺器官微生理系統,模擬新冠病毒感染人體導致的肺組織損傷和免疫反應等,為新冠病毒致病機制研究和快速藥物評價等提供新策略和新技術。

新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)感染已導致全球大流行。肺臟是SARS-CoV-2感染的主要靶器官。目前新冠肺炎的臨床治療多以綜合治療為主,但仍缺乏特效藥物。儘管前期已有細胞和動物模型用於新冠病毒研究,但在一定程度上仍存在諸多局限。現階段,仍缺少能夠在組織器官水平反映人體對新冠病毒感染響應的研究模型,這也是嚴重製約當前新冠病毒藥物研發進程的瓶頸之一。

器官晶元是一種新興前沿交叉科學技術,它融合物理、化學、工程學和生物學等多學科方法,可在幾平方厘米大小的流控晶元上仿生構建多種人體組織器官的微縮模型,用來反映人體器官的關鍵結構與生物功能。特別是,它有可能以前所未有的方式在體外再現人體對多種外界因素刺激的響應,在生命科學研究、疾病研究和新葯研發等領域具有廣泛應用潛力。

在此項研究中,研究者首先利用器官晶元技術仿生構建人體肺泡功能單元,並進一步開展新冠病毒感染實驗。研究者從人體肺組織複雜結構與功能特點出發,在具有多層分腔設計的可灌注微晶元中模擬人體肺泡組織微環境;實驗中,在晶元多孔膜兩側(肺泡側/血管側)的微腔內,通過人肺泡上皮細胞、肺微血管內皮細胞和人外周血免疫細胞的動態共培養,建立包含多種人源細胞、機械流體和組織界面等複雜因素的功能性肺泡-毛細血管屏障,然後開展晶元上的新冠病毒感染實驗。

結果顯示,當晶元上肺泡側上皮細胞暴露于新冠病毒后,上皮細胞內可見大量病毒複製,並出現肺組織屏障完整性破壞。轉錄組分析發現,SARS-CoV-2感染在兩種細胞中觸發不同的響應機制,分別激活了上皮細胞中I型干擾素通路和內皮細胞中JAK-STAT通路等。根據病毒載量計算,人肺泡上皮細胞呈現更強的病毒易感性,是病毒複製的主要場所,而人肺微血管內皮細胞中病毒載量較低,提示病毒可能通過感染肺上皮細胞間接影響內皮細胞。

此外,研究發現,病毒感染還可導致晶元血管側人外周血免疫細胞在血管內皮細胞上的粘附增加,並釋放大量炎症因子(如IL-1β,IL-6,IL-8,TNF-α),提示新冠病毒感染肺組織可能通過激活人體免疫細胞釋放大量炎症因子,誘發肺微血管內皮損傷。利用該模型,研究者還對抗病毒化合物的藥效進行初步測試和評價。

該研究利用器官晶元技術,建立基於組織水平的人類新冠肺炎疾病模型,在體外模擬新冠病毒感染導致的肺屏障功能障礙、免疫細胞粘附、炎症因子釋放和肺內皮細胞損傷等一系列關鍵病理生理過程,反映新冠病毒感染中多細胞複雜因素參与介導的病原—宿主相互作用。這種模型系統具有建模周期短、成本低、人源性和易於監測等特點,可以得到傳統方法難以獲取的動態生物學信息,並可延伸用於多器官累及的新冠肺炎機理研究。

相關研究成果於近日發表于《先進科學》上。