類器官及器官芯片在生化武器戰創傷相關研究中的應用前景

周 軍,李玉嬌綜述,周國華審校

0 引 言

戰爭環境下,戰創傷是造成戰場減員最主要的原因,嚴重威脅官兵的生命安全。所以,開展及加強戰創傷研究是增強衛勤保障能力必不可少的重要一環?，F代戰爭中武器種類繁多,造成戰創傷的方式、部位及損傷嚴重程度等各不相同。各種武器中,有一類性質極惡劣的大規模殺傷性武器——生化武器(包括生物武器和化學武器),雖已被定為禁用武器,但未來戰場是否會再次出現仍未可知;此外,生化武器也是現在恐怖分子實施襲擊或威脅的重要手段[1-2]。因此,介于生化武器的嚴重危害性,必須做好一定的預防性準備,其對機體造成的戰創傷需加強研究,以開發出相應的反生化試劑和藥物。

生化武器的本質是各類生物戰劑和化學戰劑的使用,可以是細菌、真菌、病毒、毒素及化學毒劑等[3]。雖可通過各類物理隔絕裝備起到一定的阻隔效果,但有毒有害物質仍有很大概率侵入機體。生物和化學戰劑通常具備低劑量、高毒性、起效迅速及常規醫療不理想等特點,侵入機體后能夠造成失能等急性病理狀態乃至死亡風險[3-4]。因此,研究各類生物和化學戰劑發揮功能作用的方式及具體機制,有助于反生化武器裝備及機體解毒藥劑等研制。針對開展生物和化學戰劑發揮功能作用的方式及具體機制相匹配的實驗模型相關研究,尤其是能夠模擬人體組織生理病理特征的實驗模型,對于提高研制速率及成功率等具有十分重要的意義。本文主要就有望用于特殊戰創傷研究模型的幾種類器官及器官芯片作一綜述。

1 類器官及器官芯片

現階段戰創傷研究中使用的實驗模型依舊以二維(2D)細胞模型和動物模型為主,但通過細胞和動物模型獲取的實驗數據與臨床實驗數據存在較多差異。就藥物研究領域而言,臨床前表現良好的候選藥物在人體臨床試驗中超過90%均會失敗,實驗模型的局限性是重要原因之一,嚴重阻礙了藥物研發效率。因此,優化并使用與人體組織生理、病理特性更為接近的實驗模型對提高相關研究效率具有重要意義。

類器官是利用發育生物學相關原理,誘導干細胞“自主裝”形成的三維(3D)多細胞結構的微細胞團,具備真實器官的一些關鍵細胞、相似的解剖學特征甚至某些功能特征[5];器官芯片則是一類體外微流控細胞培養裝置,利用生物工程策略制備適宜活細胞生長的微通道芯片,進而模擬真實器官的某種微生理功能[6]。細胞和動物模型的局限性不言而喻,如永生化細胞系甚至原代細胞進行傳統的2D細胞培養,則無法完全模擬組織器官的結構和異質性,缺少不同類型細胞間的相互作用,不能完全反應出損傷后組織器官真實的生理病理狀態及細胞響應;而動物模型雖是現在科學研究中最重要的組成,依舊存在一定的局限性,最顯著的就是與人之間的物種隔離造成的免疫系統差異等,使得實驗結論可能與人體有所差異,因此也不能完全模擬人體中的生理病理學特征。此外,臨床前實驗常用的非人靈長類動物價格昂貴、操作復雜;而用于研究的戰創傷人體標本更加無法獲取。由此可知,類器官和器官芯片能較好的彌補傳統細胞模型和動物模型的局限性,且操作相對簡單、培養周期適宜、能夠實現高通量研究需求等特性。

常規冷兵器和熱武器造成的槍彈傷、炸傷及刃器傷等機體開放性戰創傷[7],由于其研究通常需要在整體動物模型上開展,若將類器官及器官芯片做為研究模型則存在一定的局限。但生物戰劑和化學戰劑是通過呼吸系統、皮膚、胃腸道及血液系統等進入機體直接損傷組織器官,造成特殊性戰創傷[8-9]。因此,具備真實器官相同的關鍵細胞、相似的解剖學結構和某些功能特征的類器官及器官芯片,似乎更加適宜作為此類直接損傷組織器官的特殊性戰創傷研究模型。

2 類器官及器官芯片在生化戰劑損傷研究中的應用

2.1 呼吸道類器官及器官芯片呼吸系統是生化戰劑侵入機體發揮損傷作用最典型的途徑之一,也是生化戰劑直接攻擊的主要組織[9-10]。細菌、真菌、病毒及化學毒氣等均能夠輕易借助口、鼻進入機體,直接損傷咽部、喉部、支氣管和肺組織等呼吸系統,導致呼吸道炎癥及梗阻、肺水腫、肺損傷、出血、窒息、膿毒癥乃至死亡[10]。2010年Ingber實驗室成功創建了肺器官芯片模型以模擬肺泡結構及其收縮和舒張功能[11],該模型也已廣泛應用于各類研究領域,包括細菌、化學物質、納米材料以及有毒有害物質的檢測[12-13]。近年針對新冠病毒的研究中,肺類器官及器官芯片也發揮了重要作用,Han等[14]構建了人多能干細胞(human pluripotent stem cells, hPSCs)衍生的肺和腸道類器官系統并對FDA批準藥物進行篩選,成功鑒定出了包括伊馬替尼、霉酚酸和鹽酸阿那卡因在內的三種具備抗SARS-CoV-2活性的藥物;Nature雜志上最近的研究也顯示,研究人員利用人成體干細胞分化的氣道類器官結合腸道、膽管類器官,發現并驗證了一種原本用于治療肝病的藥物——熊去氧膽酸,可關閉ACE2受體以預防新冠病毒各種變體的感染[15];Chen等[16]改進了一種更為仿生的人肺芯片微生理系統,具有肺泡、肺支氣管腔和微血管單元,且允許多種免疫細胞整合入系統,應用于病毒、炎癥反應及其他肺部高危感染性疾病的研究中。上述研究表明呼吸道類器官及器官芯片完全適用于細菌、病毒及化學毒劑等生化戰劑的相關研究,可用于探究生化戰劑對呼吸系統造成的病理損傷狀況及具體損傷機制,也可輔助相應解毒試劑和藥物的開發及高通量篩選。

2.2皮膚類器官及器官芯片皮膚是另一典型的生化戰劑損傷靶器官,任何具有損傷皮膚、透皮吸收以及腐蝕性的戰劑均可對皮膚造成傷害,或者經皮膚進入機體造成破壞[9]。如路易氏毒劑,一種易被皮膚吸收的親脂液體,會迅速引起皮膚灼燒感、紅斑伴有炎癥反應,隨后出現血性水皰,進入機體后最終會導致細胞凋亡等病理損傷[17]。近年來,結合類器官和器官芯片技術,更為先進的仿生皮膚模型正在被不斷重建,稱為皮膚芯片[18]。雖然皮膚芯片仍有許多局限性,但也已被應用于模擬疾病、細菌感染及藥物毒性和功效測試等[19]。Wufuer等[20]使用皮膚芯片模擬了人類皮膚結構(包括人表皮、真皮和內皮組織)和功能反應,真皮層中使用腫瘤壞死因子誘導了皮膚炎癥和水腫,利用該模型測試了治療性藥物的療效,并評價了皮膚屏障功能。文獻報道稱,現在開發的皮膚芯片模型(如EpiSkin、SkinEthic和EpiDerm)具有眾多的研究應用可能性:皮膚刺激,腐蝕,水合作用,藥物輸送,抗衰老,紫外線防護等[21]。上述研究表明皮膚芯片同樣適用于生化戰劑導致的皮膚損傷研究,可用于開發相應的損傷模型、評估有毒有害物質的透皮吸收情況、探究具體損傷機制及輔助研發解毒制劑等,相較于傳統模型而言可以實現高通量實驗開展。

2.3耳、鼻、喉類器官及器官芯片耳、鼻、喉區域雖空間狹窄,但解剖結構多且成分復雜,分布有重要血管及神經網絡[22]。不僅是生化戰劑入侵機體的主要途徑,其自身區域也會遭受破壞,從而導致嚴重的機體損傷及戰場減員。如二苯氰胂和二苯氯胂毒劑主要刺激上呼吸道,導致劇烈咳嗽、噴嚏及流涕,鼻、咽喉部燒灼樣疼痛等,長期高劑量暴露會導致全身中毒表現,頭痛及精神抑郁等[23];三氯化砷則會導致喉頭水腫甚至窒息,大量接觸可造成神經損傷等[23]。耳、鼻、喉作為重要的組織結構,相應的類器官研究也一直備受關注。Kurihara等[24]通過hPSCs優化構建的耳類器官成功識別出了順鉑的神經毒性,有望成為一種新的藥物評價系統。Wu等[25]借助包含纖毛細胞、杯狀細胞和基底細胞的鼻上皮類器官,詳細解析了SARS-CoV-2感染呼吸道上皮細胞及進出鼻腔細胞的具體機制;并提出了使用鼻噴劑或預防性短效藥物延遲病毒進出和傳播,為免疫系統介入而阻止全面感染爭取時間的新預防性策略。目前關于喉類器官及器官芯片的研究較少,但喉屬于呼吸系統,且功能主要依賴源于前腸的喉上皮結構[26]。因此,借鑒腸、支氣管上皮類器官及器官芯片培養方法,或可開發出相應的喉上皮類器官及器官芯片。上述研究提示耳、鼻、喉類器官及器官芯片也是生化戰劑研究的潛在可靠實驗模型,同樣能夠開展高通量實驗,有助于解毒、緩解癥狀等制劑的開發。耳鼻喉是通過咽鼓管相連通,若能實現耳、鼻、喉類器官或器官芯片的聯用,對科學研究的幫助和意義則更加重大。

3 結 語

隨著科技水平的飛速發展,使得現代戰爭作戰環境變得極其復雜、殺傷性武器品種也層出不窮,尤其是生化武器的種類及使用情況無法預測。但生化武器的嚴重危害性促使我們不得不做好相應準備,因此針對性的科學研究必須加快腳步、提高效率。

類器官及器官芯片作為現階段具備最為接近人體器官某些功能的研究模型,可以有效的提高生化戰劑導致的戰創傷相關研究的實驗效果及可靠性、且實驗過程具有一定的可控性?，F階段人體各器官幾乎都有對應的類器官及器官芯片模型,但多數都是只能以單一模型開展研究,多類器官及器官芯片聯用模型一直是領域內致力攻克的難題,若能實現將會給科學研究注入一劑強心針。結合人工智能分析手段,可進一步實現戰創傷研究的快速和高通量實驗開展,以及相應藥物的高通量篩選,隨著科技的進步,未來或許可實現戰時未知有毒有害物質的快速獲取、分析以及解毒藥劑的制備等。