MIT教授開發「晶片上的器官」模型,和「人造器官」不太一樣?

MIT教授開發「晶片上的器官」模型,和「人造器官」不太一樣?

近日,麻省理工學院(MIT)的生物工程師們創建了一種被稱為「晶片上的器官」的模型。這是一種多組織模型,讓他們能夠在一個專門的微流控平台上研究不同器官和免疫系統之間的關係。利用這種模型,研究小組能夠探索循環免疫細胞在潰瘍性結腸炎和其他炎症性疾病中的作用。

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他們還發現,生活在人類腸道內的細菌產生的代謝副產物在這些炎症條件下起到重要作用。

這篇研究發表在《Cell Systems》上,這種方法也可以用於研究許多其他複雜疾病。

早在大約20年前,這項研究的資深作者、工程學院教學創新教授、生物工程與機械工程教授Linda Griffith的實驗室就首次開始研究一種被稱為「肝晶片」的人類肝臟模型。該系統由在特殊支架上生長的人工肝組織組成,可用於藥物毒性測試。

最近,她一直在研究許多相互關聯的器官的小型複製品,這些器官也被稱為微生理系統(MPS)。在2018年,她開發的一個平台被報導,該平台可用於一次模擬多達10個器官之間的相互作用。

2016年關於這種晶片上的微型人體器官的報導。圖片來源:MIT ▲ 他們提出的全身仿生裝置「晶片上的人」的概念示意圖。圖片來源:MIT在2016年的報導中,這種晶片是用一種柔韌的聚合物製成的,這種聚合物的特點是有微流體通道和七個容納器官材料的深井。這些細胞井裡充滿了從幹細胞中生長出來的活的器官組織,或者是在手術中收集來的,然後在3D支架上生長,允許組織採用在人體中發現的自然3D結構。

和在人體內一樣,晶片上的器官透過循環泵入富含氧氣的液體來提供氧氣和食物。研究人員將能夠監測藥物對晶片的影響,看看藥物對不同器官或整個系統是有益還是有害。

這些設備非常適合分析複雜的疾病,包括那些涉及多個器官、受免疫系統影響、或不能由單個基因或少數基因解釋的疾病。

Griffith說:「我們想要建立一種技術,可以讓你把幾個器官系統連接在一起,這樣我們就可以開始開發新的工具來對抗慢性炎症疾病。」

在這篇新的研究中,她和Trapecar開始建立兩個器官之間的相互作用模型,結腸和肝臟。他們還想研究免疫系統,尤其是T細胞,是如何影響這些器官的。

多達80%的慢性肝臟自身免疫性疾病(原發性硬化性膽管炎)患者同時也患有炎症性腸病(IBD)。而且,IBD患者發生肝臟自身免疫性疾病的幾率要大得多。

新系統包含從潰瘍性結腸炎患者身上提取的結腸細胞,以及健康的肝細胞。研究人員發現,當這些組織被連接在一起時,它們的生理行為與被分離時完全不同。

潰瘍性結腸炎腸道組織暴露於健康的肝細胞後,炎症減輕。與此同時,參與代謝和免疫功能的基因和細胞通路在這兩個器官中變得更加活躍。然後,研究人員將兩種類型的T細胞添加到系統中:CD4+ T調節細胞,它抑制其他免疫細胞;TH17細胞,它刺激炎症反應。將這些T細胞加入到內臟-肝臟的相互作用中,會迅速增加炎症反應,重現IBD和自身免疫性肝病的某些特徵。

最後,研究人員決定研究短鏈脂肪酸(SCFAs)分子在炎症疾病中的潛在作用。這些分子是由人體腸道內的微生物產生的。雖然這些化合物對人體有許多有益的作用,包括減少炎症,但近年來的一些研究表明,SCFAs也可以透過刺激炎症而造成傷害。

麻省理工學院的這項新研究發現,在潰瘍性結腸炎模型中加入SCFAs會大大加劇肝臟和腸道的炎症,但前提是已經存在T細胞。

「基於這些研究,我們形成的假設是,短鏈脂肪酸的作用似乎取決於適應性免疫系統(包括T細胞)的參與程度,」Trapecar說。

也就是說,在炎症的早期,當T細胞沒有大量參與時,SCFAs可以幫助減少炎症。但是當許多效應T細胞被募集時,SCFAs會刺激它們產生更多的炎症。這可能在感染的情況下有用,幫助身體抵禦入侵者,但它也會加速自身免疫性疾病。

格里菲斯的實驗室現在正致力於利用MPS系統來闡明SCFAs和帕金森病之間的聯繫。

研究人員還計畫研究其他複雜的疾病,希望他們的研究結果將有助於指導目前難以治療的疾病的新療法的開發。

這項研究由美國國防先進研究計劃署、國家衛生研究院、國家生物醫學成像與生物工程研究所、國家環境衛生科學研究所、國家癌症研究所的科赫研究所支持(核心)贈款和佩爾-斯圖爾特信託基金會資助。

人造器官的「另闢蹊徑」

目前,關於人造器官已經有著不少實驗,但研究人員們採用的方法不盡相同。

美國德克薩斯大學醫學院所製造出的「人造豬肺」採用的就是不同的方法。他們首先透過糖、清潔劑等用品將豬肺裡的細胞和血液全部清理,只留下蛋白質作為肺器官的「骨架」,再在每個支架上都添加從受體豬肺中提取的細胞,並將肺支架放在盛有特殊營養液的水池裡,以培育出真正的豬肺。這種形式實際上還是利用了自然的器官結構。

《科學》曾報導的美國卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的科學家們的3D生物列印技術複製人類心臟結構,則是使用天然的膠原蛋白做3D列印的生物墨水。這種3D列印技術以明膠作為支撐床,讓膠原蛋白在支撐膠中逐層沉積和凝固。列印完成後,研究人員再改變溫度讓支撐用的明膠融化。

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