近日，麻省理工學院（MIT）的生物工程師們創(chuàng)建了一種被稱為“芯片上的器官”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臺上研究不同器官和免疫系統(tǒng)之間的關(guān)系。利用這種模型，研究小組能夠探索循環(huán)免疫細胞在潰瘍性結(jié)腸炎和其他炎癥性疾病中的作用。

他們還發(fā)現(xiàn)，生活在人類腸道內(nèi)的細菌產(chǎn)生的代謝副產(chǎn)物在這些炎癥條件下起著重要作用。

這篇研究發(fā)表在《Cell Systems》上，這種方法也可以用于研究許多其他復(fù)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(chuàng)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“肝芯片”的人類肝臟模型。該系統(tǒng)由在特殊支架上生長的人工肝組織組成，可用于藥物毒性測試。

最近，她一直在研究許多相互關(guān)聯(lián)的器官的小型復(fù)制品，這些器官也被稱為微生理系統(tǒng)（MPS）。在2018年，她開發(fā)的一個平臺被報道，該平臺可用于一次模擬多達10個器官之間的相互作用。

（圖：2016年關(guān)于這種芯片上的微型人體器官的報道。圖源：MIT）

（圖：他們提出的全身仿生裝置“芯片上的人”的概念示意圖。圖源：MIT）

在2016年的報道中，這種芯片是用一種柔韌的聚合物制成的，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。這些細胞井里充滿了從干細胞中生長出來的活的器官組織，或者是在手術(shù)中收集來的，然后在三維支架上生長，允許組織采用在人體中發(fā)現(xiàn)的自然三維結(jié)構(gòu)。

和在人體內(nèi)一樣，芯片上的器官通過循環(huán)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(jiān)測藥物對芯片的影響，看看藥物對不同器官或整個系統(tǒng)是有益還是有害。

這些設(shè)備非常適合分析復(fù)雜的疾病，包括那些涉及多個器官、受免疫系統(tǒng)影響、或不能由單個基因或少數(shù)基因解釋的疾病。

Griffith說：“我們想要建立一種技術(shù)，可以讓你把幾個器官系統(tǒng)連接在一起，這樣我們就可以開始開發(fā)新的工具來對抗慢性炎癥疾病?！?/p>

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(jié)腸和肝臟。他們還想研究免疫系統(tǒng)，尤其是T細胞，是如何影響這些器官的。

眾所周知，多達80%的慢性肝臟自身免疫性疾病（原發(fā)性硬化性膽管炎）患者同時也患有炎癥性腸?。↖BD）。而且，IBD患者發(fā)生肝臟自身免疫性疾病的幾率要大得多。

新系統(tǒng)包含從潰瘍性結(jié)腸炎患者身上提取的結(jié)腸細胞，以及健康的肝細胞。研究人員發(fā)現(xiàn)，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(jié)腸炎腸道組織暴露于健康的肝細胞后，炎癥減輕。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。

然后，研究人員將兩種類型的T細胞添加到系統(tǒng)中：CD4 T調(diào)節(jié)細胞，它抑制其他免疫細胞;TH17細胞，它刺激炎癥反應(yīng)。

將這些T細胞加入到內(nèi)臟-肝臟的相互作用中，會迅速增加炎癥反應(yīng)，重現(xiàn)IBD和自身免疫性肝病的某些特征。

最后，研究人員決定研究短鏈脂肪酸（SCFAs）分子在炎癥疾病中的潛在作用。這些分子是由人體腸道內(nèi)的微生物產(chǎn)生的。

雖然這些化合物對人體有許多有益的作用，包括減少炎癥，但近年來的一些研究表明，SCFAs也可以通過刺激炎癥而造成傷害。

麻省理工學院的這項新研究發(fā)現(xiàn)，在潰瘍性結(jié)腸炎模型中加入SCFAs會大大加劇肝臟和腸道的炎癥，但前提是已經(jīng)存在T細胞。

“基于這些研究，我們形成的假設(shè)是，短鏈脂肪酸的作用似乎取決于適應(yīng)性免疫系統(tǒng)（包括T細胞）的參與程度，”Trapecar說。

也就是說，在炎癥的早期，當T細胞沒有大量參與時，SCFAs可以幫助減少炎癥。

但是當許多效應(yīng)T細胞被募集時，SCFAs會刺激它們產(chǎn)生更多的炎癥。

這可能在感染的情況下有用，幫助身體抵御入侵者，但它也會加速自身免疫性疾病。

格里菲斯的實驗室現(xiàn)在正致力于利用MPS系統(tǒng)來闡明SCFAs和帕金森病之間的聯(lián)系。

研究人員還計劃研究其他復(fù)雜的疾病，希望他們的研究結(jié)果將有助于指導(dǎo)目前難以治療的疾病的新療法的開發(fā)。

這項研究由美國國防高級研究計劃局、國家衛(wèi)生研究院、國家生物醫(yī)學成像與生物工程研究所、國家環(huán)境衛(wèi)生科學研究所、國家癌癥研究所的科赫研究所支持（核心）贈款和佩爾-斯圖爾特信托基金會資助。

人造器官的“另辟蹊徑”

目前，關(guān)于人造器官已經(jīng)有著不少實驗，但研究人員們采用的方法不盡相同。

美國德克薩斯大學醫(yī)學院所制造出的“人造豬肺”采用的就是不同的方法。他們首先通過糖、清潔劑等用品將豬肺里的細胞和血液全部清理，只留下蛋白質(zhì)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，并將肺支架放在盛有特殊營養(yǎng)液的水池里，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(jié)構(gòu)。

《科學》曾報道的美國卡耐基梅隆大學（Carnegie Mellon University）的科學家們的3D生物打印技術(shù)復(fù)制人類心臟結(jié)構(gòu)，則是使用天然的膠原蛋白做3D打印的生物墨水。這種3D打印技術(shù)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。打印完成后，研究人員再改變溫度讓支撐用的明膠融化。