​中科院利用器官芯片技术模拟新冠病毒感染诱发肺损伤和免疫反应等

据麦姆斯咨询报道，中国科学院昆明动物研究所官方网站2021年1月13日发布消息称，中科院大连化学物理研究所秦建华研究员团队与该所郑永唐研究员团队合作，利用器官芯片技术建立了一种体外肺器官微生理系统，模拟新型冠状病毒（SARS-CoV-2）感染人体导致的肺组织损伤和免疫反应等，为新型冠状病毒致病机制研究和快速药物评价等提供新策略和新技术。相关研究成果发表于《先进科学》（Advanced Science）上。

新型冠状病毒感染已导致全球大流行。肺脏是该病毒感染的主要靶器官。当前，新型冠状病毒肺炎的临床治疗多以综合治疗为主，但仍缺乏特效药物。尽管前期已有细胞和动物模型用于新冠病毒研究，但在一定程度上仍存在诸多局限。现阶段，仍缺少能够在组织器官水平反映人体对新冠病毒感染响应的研究模型，这也是严重制约当前新冠病毒药物研发进程的瓶颈之一。

人体器官芯片是一门新兴的前沿科学技术，也是一门典型的多学科交叉汇聚技术，对人类健康和生物产业发展具有重要战略意义，吸引了来自政府、科学界和产业界的关注，被2016年达沃斯世界经济论坛列为"十大新兴技术"之一。人体器官芯片指的是一种在载玻片大小芯片上构建的器官生理微系统，包含有活体细胞、组织界面、生物流体和机械力等器官微环境关键要素。它可在体外模拟人体不同组织器官的主要结构功能特征和复杂的器官间联系，用以预测人体对药物或外界不同刺激产生的反应，在生命科学和医学研究、新药研发、个性化医疗、毒性预测和生物防御等领域具有广泛应用前景。

在此项研究中，中国科学院的研究人员首先利用器官芯片技术仿生构建人体肺泡功能单元，并进一步开展新冠病毒感染实验。研究者从人体肺组织复杂结构与功能特点出发，在具有多层分腔设计的可灌注微芯片中模拟人体肺泡组织微环境；实验中，在芯片多孔膜两侧（肺泡侧/血管侧）的微腔内，通过人肺泡上皮细胞、肺微血管内皮细胞和人外周血免疫细胞的动态共培养，建立包含多种人源细胞、机械流体和组织界面等复杂因素的功能性肺泡-毛细血管屏障，然后开展芯片上的新冠病毒感染实验。

结果显示，当芯片上肺泡侧上皮细胞暴露于新冠病毒后，上皮细胞内可见大量病毒复制，并出现肺组织屏障完整性破坏。转录组分析发现，新型冠状病毒感染在两种细胞中触发不同的响应机制，分别激活了上皮细胞中I型干扰素通路和内皮细胞中JAK-STAT通路等。根据病毒载量计算，人肺泡上皮细胞呈现更强的病毒易感性，是病毒复制的主要场所，而人肺微血管内皮细胞中病毒载量较低，提示病毒可能通过感染肺上皮细胞间接影响内皮细胞。

此外，研究发现，病毒感染还可导致芯片血管侧人外周血免疫细胞在血管内皮细胞上的粘附增加，并释放大量炎症因子，提示新冠病毒感染肺组织可能通过激活人体免疫细胞释放大量炎症因子，诱发肺微血管内皮损伤。利用该模型，研究者还对抗病毒化合物的药效进行初步测试和评价。

该研究利用器官芯片技术，建立基于组织水平的人类新冠肺炎疾病模型，在体外模拟新冠病毒感染导致的肺屏障功能障碍、免疫细胞粘附、炎症因子释放和肺内皮细胞损伤等一系列关键病理生理过程，反映新冠病毒感染中多细胞复杂因素参与介导的病原—宿主相互作用。这种模型系统具有建模周期短、成本低、人源性和易于监测等特点，可以得到传统方法难以获取的动态生物学信息，并可延伸用于多器官累及的新冠肺炎机理研究。

关于中国科学院昆明动物研究所

中国科学院昆明动物研究所（简称：昆明动物所）是我国生物多样性演化、保护与可持续利用领域的综合性研究机构。昆明动物所现有研究团队41个。拥有“遗传资源与进化国家重点实验室”、“中国科学院动物模型与人类疾病机理重点实验室”2个主要研究单元，与香港中文大学联合共建“生物资源与疾病分子机理联合实验室”。

        建设有“云南省动物模型与人类疾病机理重点实验室”、“云南省活性多肽研究与利用重点实验室”等4个省级重点实验室，“国家昆明高等级生物安全灵长类动物实验中心（P3实验室）”、“国家发改委天然活性多肽国家地方联合工程研究中心”、“国家非人灵长类实验动物资源库”、“中国科学院昆明灵长类研究中心”等8个支撑机构与技术平台，以及“云南无量山西黑冠长臂猿监测站”和“云南大山包黑颈鹤监测站”2个野外台站。与云南省合作共建昆明动物博物馆，馆藏各类动物标本约90万号，是我国西南地区规模最大、收藏量最为丰富的动物专题博物馆，先后被授予“全国科普教育基地”、“云南省生态文明教育基地”等荣誉称号。

关于中科院大连化学物理研究所

中科院大连化学物理研究所（简称：大连化物所）创建于1949年3月，是一个基础研究与应用研究并重、应用研究和技术转化相结合，以任务带学科为主要特色的综合性研究所。七十多年来，大连化物所通过不断积累和调整，逐步形成了自己的科研特色。1998年，大连化物所成为中国科学院知识创新工程首批试点单位之一。2007年经国家批准筹建洁净能源国家实验室。

        2010年8月，大连化物所在“创新2020”发展战略研讨会中将所发展战略修订为“发挥学科综合优势，加强技术集成创新，以可持续发展的能源研究为主导，坚持资源环境优化、生物技术和先进材料创新协调发展，在国民经济和国家安全中发挥不可替代的作用，创建世界一流研究所。”  大连化物所重点学科领域为：催化化学、工程化学、化学激光和分子反应动力学以及近代分析化学和生物技术。

 

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