肺器官芯片的历史、起源和发展

1. 介绍肺器官芯片微流控系统的发展历史

人的肺在呼吸系统中起着气体交换的重要作用。它们的海绵状结构以肺泡亚单位的形式最大限度地增加了有用的表面积，在肺泡亚单位中，吸入的空气和穿过一层薄薄的细胞膜的血管系统之间存在着气液界面(ALI)。这种ALI是理解肺行为和病理的一个非常有趣的特征，因为正是在这里，异物和病原体经常首先接触到身体。

虽然许多动物模型已被用于研究肺部疾病(Cardoso，2001；Matute-Bello等人，2008；Morrisey和Hogan，2010)，但它们与人类系统缺乏足够的相似性，在基于动物的平台上留下了可能的空白。80%通过临床前动物试验的药物实际上并不能有效地治疗人类预期的目标疾病，这一事实证明了这一点(Perrin，2014)。一个被称为“埃罗姆定律”的趋势描述了自1950年以来，美国食品和药物管理局每百万美元用于药物研发的批准药物数量如何每9年减少一半(Scanell等人，2012年)。这鲜明地提醒人们，生物学研究面临着越来越大的挑战，迫切需要改进方法。因此，使用人类细胞的体外平台已成为动物模型的必要补充，如果不是替代的话，它除了带来更高的生物相似性之外，还带来了许多好处，例如高通量筛选的潜力、成本效益以及解决围绕动物试验的伦理问题。

然而，尽管有这些优点，从体内(动物)系统到体外系统的过渡也有明显的缺点，其中最显著的是细胞环境中复杂性的丧失。定义细胞发育和器官水平功能的生物力学线索是高度多方面的，很难在相对简单的二维格式细胞培养上完全概括(Huh等人，2011年)。此外，仅从两个维度研究细胞的事实就限制了与活体人类细胞的相似性。这些因素推动了3D细胞培养的发展，允许通过各种材料同时培养多种类型的细胞，以模拟体内的细胞外基质(ECM)(Kim和Rajagopalan，2010)。随着微流控技术和设备的最新进展，3D细胞培养方法可以用一系列通用的技术来扩充，甚至可以进一步概括体外器官水平的功能。这些措施包括连续灌流培养液和对培养细胞施加可控的流体和固体机械应力，以重建体内的生物化学和生物力学微环境。从这种融合中诞生的设备被称为芯片上的器官，并呈现出巨大的潜力，将彻底改变人类病理学的研究方式。要全面了解芯片上器官的总体情况，请单击此处。微流体带来的微流体能力对于肺的重现特别有趣，肺表现出高度机械的环境，尤其是因为呼吸导致组织拉伸时施加在细胞上的力。在这篇简短的综述中，我们从微流控设计和实现的角度讨论了单芯片肺平台的起源和发展。

2. 开创性的“芯片肺”

2010年，Huh展示了一种开创性的微流控设备，该设备此后定义了芯片肺平台的发展方向(Huh等人，2010年)。在这里，我们将讨论包含的创新设计特征，并简要描述它是如何用于研究肺部行为的。该器件(图1)由三层PDMS层组成：两层具有平行的微图案化通道，在其间然后是一层薄的多孔膜层。这种膜形成了两室膜分离系统。细胞外基质被插入到腔室中，以覆盖膜的两侧，以便随后的细胞附着。在膜的一侧种植肺泡上皮细胞，另一侧种植血管内皮细胞。接下来，通过让空气通过上皮侧腔室，基本上模仿了在人类肺泡中发现的结构和细胞组成，建立了ALI。虽然以前已经展示了重建这种肺泡屏障的系统，例如使用Transwell装置(Yamaya等人，2002年)，但过去的装置不能重建存在于该膜上的机械环境。HH的设备通过创新地使用与内皮和上皮通道平行的两个横向通道实现了这种机械刺激。通过对这些侧通道施加真空，柔性的PDMS可以变形，以实现以生理上相似的幅度和频率对细胞内衬的人工牙槽膜进行受控的循环拉伸。这种膜的拉伸是在细胞培养过程中进行的，并诱导上皮细胞层的仿生排列。

图1：机械主动片上肺装置。三层PDMS装置由两个中央腔室组成，由一层薄薄的多孔膜隔开，一边种植肺泡上皮细胞，另一边种植血管内皮细胞。气液界面是通过在上肺泡通道中流动空气来建立的。如图所示，可以对侧室施加真空，以使弹性PDMS壁变形，从而使膜变形。这起到单向拉伸细胞的作用，并模拟人体肺泡扩张和收缩过程中所经历的拉伸。

从免疫学的角度研究了机械刺激对肺泡细胞行为的影响，以确定机械应变是否改变了肺泡细胞的行为。一种炎性细胞因子(肿瘤坏死因子-α，或肿瘤坏死因子-α)被引入血管通道(即膜内皮侧的通道)。通过测量细胞间黏附分子-1(ICAM-1)的内皮表达，该小组可以监测在有和没有机械驱动膜的情况下免疫炎症反应的差异。在这一点上，免疫反应没有可测量的差异。然而，在研究炎症纳米粒对LOC的反应时，膜拉伸成为一个重要因素。为了模拟纳米颗粒的吸入，将空气传播纳米毒性研究中常用的纳米硅颗粒(Napierska等人，2009年)引入设备的肺泡通道(即膜上皮侧的通道)。在这种情况下，根据膜是否经历周期性、模拟呼吸、拉伸，免疫反应有明显的差异。在这种机械驱动下，观察到免疫反应增加，这也是用ICAM-1水平来确定的，以及与没有拉伸的设备中测量的相比，纳米颗粒的跨膜迁移增加。这些趋势与在小鼠身上发现的纳米颗粒反应以及长期以来关于纳米颗粒与肺相互作用的毒性效应的研究是一致的。

3. 进一步开发肺器官芯片

这项关键性工作由Huh等人完成，自那以后确定了机械主动LOC平台的方向。在这里，我们简要讨论一些其他的工作，这些工作是基于相同的技术重建细胞衬里的膜，如上所述，以及它们如何被用于各种生物学研究。
第一种，在2007年由Huh等人提出。实际上是上述装置的前身，但值得讨论的是它使用微流控工程来实现不同的结果。该装置(图2)(Huh等人，2007年)展示了相同类型的细胞线膜分离室，其中一个是“肺泡”充气室，另一个是“血管”细胞介质充填室。虽然在这个模型中没有周期性的膜拉伸，但研究小组研究了液体塞流的影响，液体塞流是一种生理现象，在COPD、哮喘、肺水肿和毛细支气管炎等疾病中，随着病理性粘液塞的传播而发生(Cassidy等人，1999年)。使用这些微流体产生的液体塞子，研究小组能够重建潜在的上皮细胞损伤，并更好地了解和声学检测方法。

图2：液体插头肺器官芯片模型。利用一种特殊的微流体通道几何结构，液体塞可以产生并在多孔膜上的一层上皮细胞上繁殖。

虽然肺泡是更多研究和理解的重要部位，但它们只代表整个呼吸系统的一个部分。相反，Benam等人的设备在微流控芯片上重建了小气道，这是肺中最小的传导路径(Benam等人，2015)。该装置(图3)还具有种植细胞的薄多孔膜，但关键的区别在于所选择的细胞类型-细支气管上皮细胞而不是肺泡上皮细胞。他们能够研究小气道对细菌和病毒的免疫反应，并很好地展示了这种膜分离型LOC设备的多功能性。

图3：小气道单芯片肺模型，利用种植在“空气通道”中微孔膜上的细支气管上皮细胞，相对“血液通道”中的一层内皮细胞。