發布時間：2025/03/20 點擊數：697 評價體外人類肺泡和支氣管微生理系統在預測吸入性肺部藥物的滲透性和吸收方面的能力
結論速覽
肺(fei)MPS培(pei)養（也稱為肺(fei)芯片，Lung-chip）比傳統的靜態培(pei)養更準(zhun)確地模擬了人類肺(fei)組織的生物學和結構。
肺泡MPS對吸入化合(he)物的ADME特(te)性的預測(ce)比靜(jing)態或離體臨床前方(fang)法更為準(zhun)確(que)。
引言
肺是(shi)易受感染(ran)和損傷的(de)內部(bu)器官，因為(wei)它(ta)不斷暴(bao)露于環境中(zhong)的(de)吸入顆粒和病原體。與此相對(dui)應，呼吸系統疾病是(shi)導致(zhi)死亡和殘疾的(de)主要原因之一。
呼(hu)吸系統(tong)疾病(bing)在(zai)全球十(shi)大主要(yao)死因中占據三席，包(bao)括慢(man)性(xing)(xing)阻塞性(xing)(xing)肺(fei)病(bing)（COPD）（第3位）、下(xia)呼(hu)吸道感染（第4位）和肺(fei)癌(ai)（第6位）[1]。然而，新治療方(fang)法(fa)進入市場的可能(neng)性(xing)(xing)只有3%，而其他疾病(bing)治療方(fang)法(fa)的這(zhe)一比例為6-14%[2]。
這(zhe)種需求與治療產出之間的(de)差距(ju)部分可以用缺(que)乏能準確預測藥(yao)物反應的(de)、與人類相(xiang)關(guan)的(de)臨床前模(mo)型來(lai)解釋。CN Bio 的(de)PhysioMimix 器官(guan)芯片(pian)（OOC）系列微生(sheng)理系統（MPS）代表了一(yi)種新穎但已被證明成功的(de)體外肺模(mo)型系統：通過結合(he)灌流、原(yuan)代細胞共培(pei)養和(he)氣液界面（ALI）實現這(zhe)一(yi)目標(biao)。
方法(fa)
將(jiang)原代人類小氣(qi)道或支氣(qi)管肺(fei)細胞在(zai)氣(qi)液界(jie)面（ALI）下，在(zai)傳統靜態條(tiao)件或在(zai)MPS（PhysioMimix OOC和(he)Barrier (MPS-T12) 板）下進(jin)行灌流培養14天。
通(tong)過(guo)顯微鏡觀察(cha)培(pei)養物，并(bing)使用qPCR分(fen)(fen)析(xi)細胞(bao)分(fen)(fen)化。在Transwell基底側添(tian)加內皮(pi)細胞(bao)層，并(bing)分(fen)(fen)析(xi)共培(pei)養物的(de)組(zu)織(zhi)結構和表型。隨后，使用熒光黃色分(fen)(fen)析(xi)共培(pei)養物的(de)表觀滲透性（Papp）。
將三種(zhong)具有不(bu)同性(xing)質的吸入性(xing)肺部藥(yao)物(wu)以小體(ti)積液體(ti)劑量(liang)應用于肺泡共培養物(wu)。通過液相(xiang)色譜(pu)-質譜(pu)聯用（LC-MS）分(fen)析滲透(tou)性(xing)和(he)吸收性(xing)。
結果與人體(ti)臨床試驗數據以及(ji)靜態體(ti)外和離體(ti)數據進行(xing)比(bi)較驗證。
結(jie)果(guo)
1、肺泡微生(sheng)理系統(tong)（MPS）在生(sheng)物學和結構上比靜態培(pei)養更接近人類肺泡（下(xia)圖(tu)）。
圖1：
A. 使用(yong)PhysioMimix系統的肺(fei)(fei)泡MPS示(shi)意圖，顯示(shi)了人類原代肺(fei)(fei)上皮細(xi)胞、內皮細(xi)胞和免疫細(xi)胞的位置。每個孔下方有一個微(wei)型泵，用(yong)于提供培養(yang)基(ji)循環。
B. 靜態和MPS原(yuan)代肺泡上皮(pi)細胞單一培(pei)養(yang)物進行切片并用H&E染色。比例尺，50 μm。
C. 靜態和MPS培養物在(zai)14天ALI培養期間(jian)的TEER分析。
D. qPCR分析肺泡培(pei)養物中AQP5（ATI）和SFTPB（ATII）的表達。
E. 肺泡(pao)MPS培(pei)養物(wu)固定并染色，分(fen)別用于RAGE（ATI，綠色）或SFTPB（ATII，黃色）、鬼筆環肽（肌(ji)動蛋白，洋紅(hong)色）和DAPI（DNA，藍色）。比(bi)例尺，100 μm。
在測試(shi)了(le)四(si)種已知的肝(gan)毒性(xing)化合物（奈法唑(zuo)酮nefazodone、雙氯芬酸diclofenac、曲格列酮troglitazone和西他生坦(tan)sitaxentan）后，人(ren)類OOC/MPS模型成功(gong)地將(jiang)所有化合物鑒定(ding)為(wei)真正的陽性(xing)，并顯示出與臨床中檢測到的ALT升高相似(si)的結果（表1），從而強調了(le)該人(ren)類肝(gan)臟OOC/MPS模型在臨床轉化中的可行性(xing)。
2、支氣(qi)管MPS在假復層上皮（pseudostratified epithelium）中產(chan)生更(geng)接近人類(lei)相關細胞(bao)組成的組織，比靜態培(pei)養(yang)更(geng)具優(you)勢（下圖）。
圖(tu)2：
A. 使(shi)用(yong)PhysioMimix系統的支氣(qi)管MPS示意圖，顯示了人類原(yuan)代肺上皮(pi)細胞、內皮(pi)細胞和免疫細胞的位置。每個孔下方有一個微型泵，用(yong)于提供培養基(ji)循環。
B. 靜(jing)態和MPS原代支氣管(guan)上皮細胞培養物(wu)進行切片并用(yong)H&E染色。比(bi)例(li)尺，50 μm。
C. 靜態和(he)MPS培(pei)養(yang)物(wu)在(zai)14天ALI培(pei)養(yang)期間的TEER分析。
D. qPCR分析支(zhi)氣管培(pei)(pei)養物中SCGB1A1（杯(bei)狀細胞）和(he)MUC5AC（粘液(ye)細胞）的表達。E 支(zhi)氣管MPS培(pei)(pei)養物固定并(bing)染色(se)(se)，用(yong)于乙酰(xian)化α-微管蛋(dan)白（纖毛，黃色(se)(se)）、MUC5AC（粘液(ye)，綠色(se)(se)）、鬼筆環肽（肌(ji)動(dong)蛋(dan)白，洋紅(hong)色(se)(se)）和(he)DAPI（DNA，藍色(se)(se)）。比例尺，100 μm。
3、上皮(pi)和內(nei)皮(pi)共培養的(de)MPS在保持(chi)與人類相(xiang)關的(de)細胞(bao)表型的(de)同(tong)時，增強了屏障完整性（下圖）。
圖3：
A. 與肺(fei)內皮細(xi)胞共培養的人類原代支氣管上皮細(xi)胞進(jin)行切片并用Alcian Blue染色(se)。比例尺，50 μm。
B. 共(gong)培養的支氣(qi)管MPS固定并染色(se)，使(shi)用乙酰化α-微管蛋白(bai)（黃色(se)）、MUC5AC（紅色(se)）、鬼筆環肽（綠色(se)）和DAPI（藍色(se)）。使(shi)用ImageJ/Fiji進行(xing)3D重建共(gong)聚焦圖像。
C. 在ALI后14天(tian)分(fen)析(xi)單獨(du)上皮(pi)細胞、單獨(du)內皮(pi)細胞和共培養MPS培養物的TEER值。
D. qPCR分析支氣管共培養物中SCGB1A1和MUC5AC的表達。
E. 支氣管(guan)共(gong)(gong)培(pei)養MPS培(pei)養物固定(ding)并(bing)染色(se)(se)，用于乙酰化α-微管(guan)蛋白（黃色(se)(se)）、MUC5AC（綠色(se)(se)）、鬼筆環(huan)肽（洋紅色(se)(se)）和DAPI（藍色(se)(se)），并(bing)使用共(gong)(gong)聚焦顯微鏡成像。比(bi)例尺，100 μm。
F. 與肺內皮細胞共培養的(de)人類原(yuan)代(dai)小氣道(dao)上(shang)皮細胞進行切片并染色(se)(se)，分別用于(yu)SFTPB（綠色(se)(se)）、鬼(gui)筆環肽（洋(yang)紅色(se)(se)）和DAPI（藍色(se)(se)）。比例(li)尺(chi)，20 μm。
G. qPCR分析共(gong)培養的(de)肺泡MPS培養物中AQP5和SFTPB的(de)表達。
4、肺部(bu)MPS準確預測各種(zhong)吸入(ru)性(xing)肺部(bu)藥物(wu)的ADME特性(xing)（下圖）。
圖4：
A. Lucifer Yellow在支氣管和肺泡共(gong)培養MPS或靜態(tai)培養中的(de)表(biao)觀滲透性（Papp）。
B. 120分(fen)鐘內肺泡（上）或支氣(qi)管（下）培養物中累積的Lucifer Yellow量。
C. 研究中使(shi)用的吸入性肺部藥(yao)物(wu)（沙丁胺醇、奧達特羅和氟替(ti)卡松）的生化和臨床特性。
D. 24小時孵育(yu)后(hou)，藥物在Transwell單獨或MPS培(pei)養(yang)隔室中的定位百分比(bi)，包(bao)括內皮（深藍色(se)(se)）、上皮（紅(hong)色(se)(se)）、基底(di)培(pei)養(yang)基（青色(se)(se)）和頂端培(pei)養(yang)基（粉紅(hong)色(se)(se)）。
E. MPS、靜態或離(li)體(ti)數據[3]的(de)預測能力與人體(ti)臨床數據[4,5]的(de)比較。每個(ge)數據集的(de)有效(xiao)滲透(tou)性（Peff）相(xiang)對于每種藥(yao)物的(de)Cmax、劑量和Tmax的(de)臨床數據繪制。
展望
未(wei)來的研究將致力于(yu)探索更(geng)多種類的化(hua)合(he)物，并通過氣溶膠(jiao)化(hua)方法了解藥物的沉積/溶解情況。
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參考文獻(xian)
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2. Barnes et al. (2015) Eur Resp Jrnl 45(5)
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5. Borghardt et al. (2015) BJCP 81:3
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