前沿進展：為什麽要做類器官串聯共培養？多個類器官串聯共培養的價值和意義
前沿進展：為(wei) 什麽(me) 要做類器官串聯共培養(yang) ？多個(ge) 類器官串聯共培養(yang) 的價(jia) 值和意義(yi)
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神經球和肝髒在芯片上的串聯共培養(yang)
2015, Journal of Biotechnology
A multi-organ chip co-culture of neurospheres and
liver equivalents for long-term substance testing
目前用於(yu) 藥物開發的體(ti) 外實驗平台無法模擬人體(ti) 器官的複雜性，而人類和實驗室動物的係統差異巨大，因此現有的方案都不能準確預測藥物的安全性和有效性。德國、葡萄牙和俄羅斯的研究團隊通過TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平台，測試毒物對多器官的作用，揭示了基於(yu) 微流控的多器官串聯共培養(yang) 能夠更好的模擬人體(ti) 的生理學環境。在體(ti) 外培養(yang) 條件下，由於(yu) 氧氣和營養(yang) 供應有限，類器官培養(yang) 往往會(hui) 隨著時間的推移而去分化。然而微流控係統中通過持續灌注培養(yang) 基，更好地控製環境條件，如清除分泌物和刺激因子，並且培養(yang) 基以可控流速通過，以模擬血流產(chan) 生的生物剪切應力，因此類器官培養(yang) 物可以保持良好的生長狀態。
雙器官串聯芯片（2-OC）能夠串聯共培養(yang) 人的神經球（NT2細胞係）和肝髒類器官（肝HepaRG細胞和肝HHSteC細胞）。在持續兩(liang) 周的實驗中，反複加入神經毒劑2,5-己二酮，引起神經球和肝髒的細胞凋亡。跟單器官培養(yang) 相比，串聯共培養(yang) 對毒劑更敏感。因此，多器官串聯共培養(yang) 在臨(lin) 床研究中可以更準確地預測藥物的安全性和有效性。推測這是因為(wei) 一個(ge) 類器官的凋亡信號導致了第二個(ge) 類器官對藥物反應的增強，這一推測得到了實驗結果的支持，即串聯共培養(yang) 的敏感性增加主要發生在較低濃度藥物中。
在體(ti) 內(nei) ，每個(ge) 器官都保持著自己的獨立性，同時通過血液中的細胞和因子，與(yu) 其他器官保持相互通訊。保持體(ti) 外培養(yang) 物的表型的同時，如何維持組織和器官間的通信一直是該領域的一個(ge) 挑戰。所以，將幾種類器官串聯在一個(ge) 共同的培養(yang) 基的循環中，通過分泌的因子進行通訊和交流。模擬多器官之間的交流，可以研究每個(ge) 器官代謝的產(chan) 物對其他器官產(chan) 生的影響，以及環境因子對於(yu) 多器官的係統性效應。
Anja Patricia Ramme 等科學家通過TissUse GmbH公司的MOC平台，結合微生理係統循環中人體(ti) 器官的特點，設計了一個(ge) 四器官串聯芯片（4-OC），將小腸、肝髒、神經球和腎髒等器官串聯起來培養(yang) ，四種類器官均由來自同一健康供體(ti) 的誘導多能幹細胞預分化，在不含組織特異性生長因子的培養(yang) 基中共培養(yang) 14天。類器官串聯共培養(yang) 平台為(wei) 研究器官-器官相互作用、係統穩態和藥代動力學、疾病誘導和藥物作用提供了一個(ge) 更快、更準確、更經濟、更具有臨(lin) 床相關(guan) 性的方案。
另外，哥倫(lun) 比亞(ya) 大學的科學家也開發了一種多器官串聯芯片，建立了串聯共培養(yang) 心髒、肝髒、骨骼、皮膚的技術，發表於(yu) 2022年的Nature Biomedical Engineering，中通過血液循環串聯培養(yang) 4個(ge) 類器官，保持了各個(ge) 類器官的表型，還研究了常見的抗癌藥阿黴素對串聯芯片中的類器官以及血管的影響。結果顯示藥物對串聯共培養(yang) 類器官的影響與(yu) 臨(lin) 床研究結果非常相似，證明了多器官串聯共培養(yang) 能夠成功的模擬人體(ti) 中的藥代動力學和藥效學特征。 “值得注意的是，多器官串聯芯片能夠準確的預測出阿黴素的心髒毒性和心肌病，這意味著，臨(lin) 床醫生可以減少阿黴素的治療劑量，甚至讓患者停止該治療方案。“ ----- Gordana Vunjak-Novakovic, Department of Biomedical Engineering, Columbia University
胰島和肝髒在芯片上的串聯共培養(yang)
2017, Nature Scientific Reports Functional coupling of human pancreatic islets and liver spheroids on-a-chip: Towards a novel human ex vivo type 2 diabetes model
人類係統性疾病的發生過程都是通過破壞兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 器官的自我平衡和相互交流。研究疾病和藥療就需要複雜的多器官平台作為(wei) 體(ti) 外生理模型的工具，以確定新的藥物靶點和治療方法。2型糖尿病（T2DM）的發病率正在不斷上升，並與(yu) 多器官並發症相關(guan) 聯。由於(yu) 胰島素抵抗，胰島通過增加分泌和增大胰島體(ti) 積來滿足胰島素不斷增加的需求量。當胰島無法適應機體(ti) 要求時，血糖水平就會(hui) 升高，並出現明顯的2型糖尿病。由於(yu) 胰島素是肝髒代謝的關(guan) 鍵調節因子，可以將生產(chan) 葡萄糖的平衡轉變為(wei) 有利於(yu) 葡萄糖的儲(chu) 存，因此胰島素抵抗會(hui) 導致糖穩態受損，從(cong) 而導致2型糖尿病。過去已經報道了多種表征T2DM特征的動物模型，但是，從(cong) 動物實驗進行的研究往臨(lin) 床上轉化的效果不佳。更重要的是，目前使用的藥物，雖然能緩解糖尿病症狀，但對疾病進一步發展的治療效果有限。
胰腺和肝髒是參與(yu) 維持葡萄糖穩態的兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵器官，為(wei) 了模擬T2DM，阿斯利康（AstraZeneca）的科學家利用TissUse GmbH公司的微流控多器官芯片（MOC）平台，通過微流控通道相互連接，建立一個(ge) 雙器官串聯芯片（2-OC）模型，實現芯片上胰腺和肝髒類器官的串聯共培養(yang) ，在體(ti) 外模擬了胰腺和肝髒之間的交流通訊。
建立串聯共培養(yang) 類器官（胰島+肝髒）和單獨培養(yang) 類器官（僅(jin) 胰島或肝髒），在培養(yang) 基中連續培養(yang) 15天，串聯共培養(yang) 顯示出穩定、重複、循環的胰島素水平。而胰島單獨培養(yang) 的胰島素水平不穩定，從(cong) 第3天到第15天，降低了49%。胰島與(yu) 肝球體(ti) 串聯共培養(yang) 中，胰島可長期維持葡萄糖水平，刺激胰島素分泌，而單獨培養(yang) 的胰島，胰島素分泌顯著減少。胰島分泌的胰島素促進了肝球體(ti) 對葡萄糖的利用，顯示了串聯共培養(yang) 中類器官之間的功能性交流。在單獨培養(yang) 中的肝球體(ti) 中，15天內(nei) 循環葡萄糖濃度穩定維持在~11 mM。而與(yu) 胰島共培養(yang) 時，肝球體(ti) 的循環葡萄糖在48小時內(nei) 降低到相當於(yu) 人正常餐後的水平度，表明胰島類器官分泌的胰島素刺激了肝球體(ti) 攝取葡萄糖。
T2DM是一種多器官疾病，疾病表型和對藥物的反應依賴於(yu) 具有*代謝功能的器官和它們(men) 之間的相互作用。這篇文章提出了一個(ge) 胰島和肝球體(ti) 之間的類器官串聯共培養(yang) 的模型。
與(yu) 單一培養(yang) 相比，在GTT（葡萄糖耐量測驗）第一天內(nei) ，串聯共培養(yang) 中的血糖水平從(cong) 高濃度降至正常範圍，隨後保持平衡。在沒有胰島素刺激時，單獨培養(yang) 類器官（僅(jin) 胰島或肝髒）中的葡萄糖水平一直保持在高濃度。
通過測量胰島在葡萄糖負荷下釋放到培養(yang) 基中的胰島素水平來評估肝髒和胰島的串聯共培養(yang) 的作用。胰島素促進了肝球狀體(ti) 對葡萄糖的利用，在共培養(yang) 中葡萄糖維持在正常水平，而單獨培養(yang) 中葡萄糖水平一直偏高。因為(wei) ，串聯共培養(yang) 中，分泌到循環中的胰島素刺激了肝球體(ti) 對葡萄糖的攝取，隨著葡萄糖濃度的降低，胰島素分泌會(hui) 隨之減少，這就表明肝髒和胰島之間存在一個(ge) 功能反饋回路。
長期暴露於(yu) 高糖水平下，缺乏肝球體(ti) 的胰島釋放胰島素的能力會(hui) 降低，提示了長期高血糖損害胰島功能。另外，與(yu) 單層HepaRG細胞相比，受刺激和未受刺激的AKT磷酸化比例在肝球體(ti) 中明顯更高，這表明3D培養(yang) 環境更利於(yu) 模擬人體(ti) 內(nei) 的生理反應。
這些結果鼓勵我們(men) 建立2-OC模型來模擬T2DM的特征，通過胰島-肝髒串聯共培養(yang) 揭示與(yu) T2DM疾病相關(guan) 的機製，包括β細胞衰竭、胰島素抵抗、脂肪變性、脂肪性肝炎和肝硬化。多器官芯片（MOC）的發展目標是建立各種不同的器官組合模型，用於(yu) 藥物有效性和安全性評估以及藥動學/藥效學(PK/PD)測試。
