用于构建神经退行性疾病模型的微流控类器官芯片研究进展

随着医疗保健技术的飞速发展，人类的预期寿命逐渐延长，老龄化人口也相应增加，这使得神经退行性疾病（ND）的发病率呈现出上升趋势。然而，传统的动物模型和2D细胞培养模型在模拟人类病理生理条件方面存在诸多不足，如无法准确模拟复杂的病理损伤以及忽视多发性病例等问题。

鉴于现有模型的这些局限性，我们迫切需要开发更为先进的体外模型。这些模型应能够准确复制各种生理条件，多细胞类型和细胞间的相互作用，同时还应具备实时监测和调控的能力。通过这样的模型，我们可以更深入地研究ND的病理过程，为疾病的预防和治疗提供更为有效的策略。

最近，一些替代培养系统如3D细胞培养、3D生物打印的组织工程和微流控技术，作为传统体外模型的替代品出现，以提供更可靠和更具代表性的人体系统。其中，微流控技术能够复制器官的关键元素，并精确控制生物化学和生物力学方面，为疾病研究提供了高通量、生理相关且成本效益高的解决方案。通过结合先进的生物和工程技术，基于芯片的体外建模正在扩大其可能性，如使用2D和3D微流控芯片模拟ND。

据麦姆斯咨询报道，近期，来自韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）等机构的研究人员讨论了使用微流控芯片建立ND模型的一般策略，并介绍了作为下一代先进相关模型的类器官芯片。最后，研究人员概述了这些模型在学术和工业药物开发中的应用情况。总体而言，微流控芯片、干细胞和生物技术器件的整合有望为生物医学研究以及ND诊断和治疗方案的开发提供有价值的见解。相关论文以“Neuropathogenesis-on-chips for neurodegenerative diseases”为题发表在Nature Communications期刊上。

基于微流控芯片的ND模型构建方法

（1）选择细胞源

人脑由众多神经元和非神经元细胞构成，从而形成复杂的神经元网络。脑血管细胞在疾病中扮演关键角色。每种脑细胞存在不同亚型，展现其复杂性。由于进入人脑的限制，需要开发具有区域特异性特征的源细胞方法，这在ND建模中尤为重要。现有的ND体内和体外动物模型提供了有价值的见解，但存在局限性。外部方法和非哺乳动物物种也被用于ND研究。人类胚胎干细胞（hESC）和诱导神经分化方法也被用于模拟ND，但存在伦理问题和其他需要改进的方面。家族性和散发性患者来源的诱导多能干细胞（iPSC）是另一个候选细胞来源，能产生与人类相关的病理表型。尽管动物模型发挥着重要作用，但人类患者来源的细胞更可能成为ND研究的可靠体外模型。

（2）选择微流控芯片设计

芯片在大脑研究中被首次应用于“Campenot室”系统，用于研究神经生长因子对轴突生长的影响。随后，研究人员通过模拟大脑的不同层次细胞，将大脑的复杂特征转化为简单和小型化的系统。微流控芯片由多个用于细胞共培养的室组成，这些室通过微通道、多孔膜和相位波导连接，允许不同细胞群之间的直接或间接相互作用。这种芯片设计可以控制神经突生长方向、回路连接和大小，并创建不同类型的神经元连接。此外，芯片上的阀门和外部因素可用于控制流体流动和细胞环境，从而模拟不同浓度的化学物质梯度，对疾病建模有重要作用。多孔膜基芯片作为隔室之间的接口，可以实现间接和直接的相互作用，用于模拟血脑屏障等结构。这些设计提供了更多维度的交互，有助于深入研究大脑的复杂特征。

（3）监控和分析步骤

微流控芯片在监测和分析方面具有多个优点，如实时监测、多组学分析和整合生物传感器等。大多数微流控芯片由透明光学材料制造而成，通过流体通道入口引入非常少量的染色染料和抗体可检测生物标志物，但需防污染和气泡。集成生物传感器可连续测量细胞特性，评估细胞响应。芯片脑可测量血脑屏障完整性和神经元电信号。芯片外分析工具可用于分析样品。开放芯片设计提供了更多优势，如暴露于化学成分、简化收集和分析，但需注意流体流动的可控性。

（4）ND发病机制建模的应用

为了研究神经相关疾病，可通过匹配的芯片设计复制相关解剖和生理单元。然而，现有的微流控芯片研究受限于细胞来源和2D静态设计，缺乏生理学相关性。2D系统无法模拟复杂的相互作用和生理条件，影响细胞的功能和体内相关性。相比之下，3D细胞外基质（ECM）凝胶提供了更真实的细胞环境，改善了细胞形态、迁移和信号传导，允许时间依赖性分化和神经退行性变化。为了创造3D微环境，需要考虑ECM的特性，这些特性影响脑细胞行为和疾病机制。水凝胶已集成到微流控芯片中，以模拟更生理相关的脑组织环境。

ND芯片应用案例

（1）阿尔茨海默病（AD）芯片

微流控芯片已广泛应用于AD发病机制的研究，包括Aβ和tau病变、线粒体功能障碍和神经炎症等，提供了传统培养方法无法获得的新见解。芯片可以实时可视化蛋白质病变，并发现tau蛋白的传播特性。同时，微流控芯片可以模拟体内动态条件，如间质流速和Aβ聚集体梯度形成，以研究Aβ对神经元的毒性作用。此外，芯片还用于研究家族性AD特异性突变基因转导的人类神经祖细胞，以及星形胶质细胞和致病蛋白在神经炎症中的作用。通过整合不同类型的细胞，芯片可以揭示神经炎症的分子机制。近年来，研究还关注脑特征如血脑屏障和神经血管单位在AD发病机制中的作用。微流控芯片与3D培养的结合，以及淋巴流动模拟，为探索体内类似条件提供了更多可能性。这些研究有望为AD的药物筛选和治疗策略提供新的线索。

（2）帕金森病（PD）芯片

现有的PD芯片研究多集中在α-syn相关发病机制上，而涉及多巴胺能神经元的研究较少。研究者利用微流控芯片模拟PD中多巴胺能神经元凋亡和α-syn的传播。芯片设计能清晰观察α-syn纤维摄取及其在神经元间的运输。研究还探讨了α-syn低聚物对突变体PD患者神经元的毒性。另外，通过微阀控制流体动力学的芯片，成功演示了α-syn的摄取和扩散。多室芯片能模拟神经元间α-syn的传播，并成功再现复杂神经网络。微流控芯片还应用于研究多巴胺能神经元在PD中的受损情况，血脑屏障在PD发病中的作用，以及星形细胞活性与血脑屏障功能障碍和炎症的关系。

（3）肌萎缩侧索硬化症（ALS）芯片

基于新发现的遗传因素，研究者开发了啮齿动物模型来研究ALS，这些模型主要反映家族性ALS，并在体外揭示了与ALS相关的细胞过程功能障碍。尽管已存在研究有毒蛋白聚集和传播的微流控芯片模型，但尚未有针对散发性ALS的特定模型。神经炎症是ALS的一个致病特征，微流控培养系统可用于模拟星形胶质细胞对神经元的影响。利用微流控芯片的区隔化元素，研究者共培养了肌细胞和运动神经元以研究ALS中的NMJ损伤。这些模型重现了ALS的某些特征，但使用人类特异性运动神经元和原始啮齿动物肌纤维时可能失去生理学相关性。其中一种定制的3D微流控芯片能够共同培养患者来源的运动神经元球体和骨骼肌母细胞，并成功重现了ALS的某些病理过程。

（4）亨廷顿氏舞蹈症（HD）芯片

微流控芯片在HD研究中的应用相对较少。这些芯片主要模拟皮质纹状体网络，该网络在HD中易受损。研究利用转基因小鼠神经元在芯片上探索mHTT对神经回路的毒性。芯片设计允许观察纹状体神经元退化和突触减少，以及mHTT导致的运输缺陷。研究小组还利用芯片研究药物靶标，如APT1抑制剂ML348，可改善运动缺陷和行为改变。此外，五室芯片模拟基底神经节回路，展现不同细胞群间的连接。集成MEA的微流控芯片能实时分析神经网络功能，检测亨廷顿蛋白对回路的影响。电刺激微流控芯片是改进方向之一，能重现并测量皮质纹状体回路的神经元活动，但尚未应用于HD研究。

 

用于ND建模的微流控芯片示例

基于微流控芯片的体外3D模型

脑类器官能模拟不同细胞组成的疾病特异性脑区域，如前脑、中脑和后脑。研究人员使用多种方法模拟ND，但多限于家族病例。针对ND中不同脑区域间的相互作用，Pasca等人创建了组合类器官（脑组装体），以更好地概括区域间的相互作用，并应用于多种疾病模型。Kong等人开发的融合皮质血管集合体，可模拟系统性炎症对AD神经炎症的加速作用。Rickner等人则生成了神经-星形胶质细胞组装体，展现了一些病理变化，并对治疗有反应。然而，类器官模型在研究ND方面仍存在争议，目前更适合模拟神经发育障碍，但其在细胞组成、解剖特征和脑卷积方面的成熟结果也令人鼓舞。

近年来，人们设计了多种类器官培养平台，旨在改善类器官的体内特征、成熟度和均匀性，同时减少培养时间和劳动量。这些平台具备与免疫和血管成分合作的能力，并可配合生物成像和生物传感器进行有效分析。一些研究通过“一站式”微流控平台解决了传统类器官培养方案中的问题，实现了培养、维护和监测的全程自动化。此外，3D培养中的支架材料和微流控芯片设计也发挥了重要作用，促进了类器官的成熟和特征发展。同时，血管化和免疫相互作用的模拟对于进一步表征脑类器官至关重要。微流控芯片还可以与生物成像设备和生物传感器集成，实现精确的监测和分析。

具有代表性的片上类器官设计

基于微流控芯片的体外模型在药理学领域的应用前景

（1）ND药物开发面临的挑战

尽管在疾病理解和技术创新方面取得了实质性进展，但开发非传染性疾病的有效治疗方法仍具挑战性。最近AD治疗有所突破，但新药的有效性仅针对特定阶段，且Aβ-抗抗体在人类认知中的效果存在争议。考虑到ND的多因素和异质性，仍需更多努力扩大药物有效性。此外，开发过程需成本效益高且省时。过去AD药物开发投入巨大但成果有限，失败原因包括干预时机不当、生物标志物不足和研究模型不准确。家族性基因工程小鼠模型存在局限性，不能完全复制ND特征，且长期保存昂贵耗时。因此，将研究转向更生理相关的人类细胞体外模型，结合新药特征，有望降低成本和时间，产生更具代表性的测试结果。

（2）微流控芯片在制药行业中的应用

近二十年来，体外模型在学术界逐渐发展，但制药行业尚未采纳微流控芯片。随着FDA政策转向使用更多人类相关模型进行药物测试，学术界和制药行业开始使用芯片上的器官和基于器官的模型。一些大型制药公司已使用类器官和微流控芯片提高药物筛选准确性。全球也在努力将学术成果转化为制药行业，利用标准化和可重复的药物筛选方法。美国国立卫生研究院启动了赠款项目，验证用于药物测试的组织芯片平台，包括复制肾脏、肝脏和血脑屏障的微生理系统，以提高其应用的可靠性、可重复性、稳健性和吞吐量。

（3）用于学术层面药物筛选的微流控芯片

制药行业在解决可重复性和可扩展性问题上持续努力，同时学术领域也在芯片上进行潜在ND药物成分的药物筛选和毒性研究。许多公司提供微流控芯片供研究人员用于疾病机制、药物筛选和毒性的研究。一些研究小组已经利用这些芯片对先前被拒绝的候选药物进行了重新评估。此外，单层培养方法常用于药物发现，但3D细胞培养和患者来源的类器官被认为能提供更接近体内特征的模型，有望提高临床预测性。学术界已经开始将类器官应用于药物发现研究，这些研究不仅评估了药物对功能性3D共培养的影响，还评估了药物通过内皮细胞（EC）屏障的传递。新型类器官培养药物筛选平台也展现出患者源性类器官在ND药物筛选中的潜力。

（4）先进微流控芯片在制药行业的应用前景

全球合作努力整合微流控芯片与先进技术，有望彻底改变制药行业。类器官芯片和多器官芯片系统在药物发现中起关键作用，从靶标识别到临床前筛选，甚至可用于临床阶段决定患者亚型的有效治疗。然而，实现这一目标需克服可靠性、可重复性、兼容性等技术和工业挑战，同时需要定义验证和建模基准。先进的芯片系统能验证药物对神经病理的影响，测量功能变化，为ND提供临床相关评估。多器官芯片平台可测试药物作用机制、安全性等，减少动物模型依赖，提供更具代表性、成本效益和准确的结果。患者来源的细胞源可促进有效治疗发展。未来，微流控芯片将为脑类器官和组装体翻译及ND药物发现和个性化医疗发展做出贡献，尽管面临生物、技术和商业挑战，但微流控芯片和分子生物物理技术有望促进对ND发病机制的理解，减少对动物模型的依赖。

用于药物开发的片上ND的未来展望

综上所述，该论文探讨了利用先进的体外系统来模拟不同类型的神经退行性疾病，为生物医学研究和药物开发提供了宝贵的见解。传统的2D和静态条件下的微流控芯片在模拟神经退行性疾病时存在生理学上的局限性，而采用3D细胞外基质凝胶可以提供细胞更多的机械结构和生化信号，从而改善细胞形态、迁移行为、信号传导和基因表达等方面的相关性。此外，文中还提到了神经退行性疾病的病理生理机制，如Tau蛋白的传播和聚集，以及细胞外基质对疾病发生发展的重要性。本综述有助于读者更好地了解神经退行性疾病研究领域的最新进展和未来发展方向。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46554-8

 

审核编辑：刘清