近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所微流控芯片研究組研究員秦建華團(tuán)隊受邀發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)了該團(tuán)隊在利用器官芯片開展感染性疾病研究方面的一系列成果，并對該領(lǐng)域的未來發(fā)展進(jìn)行了展望。
感染性疾病多指由各種常見病原體（如細(xì)菌、真菌、病毒和寄生蟲等）引起的機(jī)體疾病，可引起人體全身性病理癥狀，嚴(yán)重者可導(dǎo)致高發(fā)病率和死亡率。例如，20世紀(jì)流感病毒引發(fā)H1N1等多次疫情；2002年冠狀病毒SARS引發(fā)的急性呼吸道傳染病；2019年出現(xiàn)的新型冠狀病毒（SARS-CoV-2），已導(dǎo)致全球大流行，嚴(yán)重威脅人類健康。目前，針對感染性疾病研究模型主要依賴于細(xì)胞和動物試驗，但這些實驗?zāi)Ｐ驮诓煌潭壬先源嬖谝欢ň窒?。在單層?xì)胞上的病原體培養(yǎng)方式往往缺少體內(nèi)復(fù)雜動態(tài)的組織微環(huán)境和機(jī)體免疫反應(yīng)，動物模型則由于存在物種差異，難以反映人體的真實反應(yīng)。因此，建立能準(zhǔn)確反映人類病理生理特征的新型實驗?zāi)Ｐ腕w系，對于感染性疾病機(jī)制研究及有效診療等具有重要意義。
器官芯片是近年發(fā)展起來的一種前沿交叉科學(xué)技術(shù)，它融合了物理、化學(xué)、工程學(xué)和生物學(xué)等多學(xué)科方法，可在體外模擬包含多細(xì)胞組成，組織-組織界面，機(jī)械流體等多因素的復(fù)雜細(xì)胞微環(huán)境，反映組織器官的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與功能特點，在疾病模型、機(jī)理研究和新藥研發(fā)等方面具有重要應(yīng)用潛力，也為感染性疾病研究提供了新策略和新方法。
本綜述首先概述了器官芯片應(yīng)用于病原體感染研究的最新進(jìn)展，通過一些代表性實例向讀者展示了利用該技術(shù)開展病原-宿主相互作用研究的特點和技術(shù)優(yōu)勢。例如，血管組織模型用于模擬研究埃博拉病毒感染引起的出血性綜合征；肝組織芯片用于研究乙肝病毒感染，并呈現(xiàn)出近體內(nèi)的生物學(xué)反應(yīng)等。針對新冠肺炎的暴發(fā)，秦建華團(tuán)隊率先利用器官芯片技術(shù)開展了新冠病毒對肺組織和腸組織感染研究：利用自行構(gòu)建的三維肺泡組織和腸組織感染模型，揭示了新冠病毒感染導(dǎo)致人肺泡-毛細(xì)血管屏障和腸組織損傷的主要病理特征，并探討了外周免疫細(xì)胞介導(dǎo)病毒感染導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)和組織屏障功能障礙的潛在機(jī)制（Advanced Science，2020；Science Bulletin，2021；Cell death & Disease，2020）?；谄鞴傩酒捏w外模型，可在組織器官水平反映新冠病毒感染中多細(xì)胞復(fù)雜因素參與的病原-宿主相互作用。更重要的是，器官芯片可見證細(xì)胞間相互作用以及免疫細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥過程，并可延伸用于多器官累及的復(fù)雜感染性疾病研究，為病毒感染致病機(jī)制和藥物發(fā)現(xiàn)等提供了新型實驗體系。
此外，秦建華團(tuán)隊還嘗試了利用器官芯片研究由細(xì)菌導(dǎo)致的常見感染性疾病。例如，孕期宮內(nèi)感染，包括病原菌及其引起的相關(guān)炎癥反應(yīng)是導(dǎo)致早產(chǎn)或流產(chǎn)的重要危險因素，目前尚缺乏研究早期宮內(nèi)感染的體外模型。秦建華團(tuán)隊利用人源性胎盤細(xì)胞和干細(xì)胞，建立了三維動態(tài)的胎盤屏障和羊膜組織模型，研究宮內(nèi)細(xì)菌感染導(dǎo)致的胎盤炎癥和絨毛膜羊膜炎等疾病。這些工作為加深認(rèn)識和理解宮內(nèi)感染及其不良妊娠結(jié)果，尋求有效治療策略等提供了新的思路。最后，綜述探討了開發(fā)新一代人類器官病理生理模擬系統(tǒng)的迫切性和面臨的挑戰(zhàn)，這將為重大感染性疾病研究以及極端條件實驗等提供新的技術(shù)平臺。
近年來，秦建華團(tuán)隊主要致力于器官芯片、干細(xì)胞衍生類器官及其與生命科學(xué)的前沿交叉研究，系統(tǒng)建立了一系列具有人體生理關(guān)聯(lián)性的體外組織和類器官模型體系，探究組織器官發(fā)育及相關(guān)疾病機(jī)制，為在系統(tǒng)層面開展醫(yī)學(xué)研究和藥物發(fā)現(xiàn)等提供新的策略和思路。
該綜述以“Microfluidic Organs-on-a-Chip for Modeling Human Infectious Diseases”為題，發(fā)表在《化學(xué)研究評述》（Accounts of Chemical Research）上。
