肺和肝脏类器官的共培养

Human multi-organ chip co-culture of bronchial lung culture and liver spheroids for substance exposure studies

肺和肝脏类器官的共培养

Introduction

临床前体内研究中获得的数据对人类情况的可译性往往有限微生理系统是体外模型，能更好地反映在体内的细胞微环境。在与传统的静态体外器官模型比较，微生理系统中的介质流动去除可以在培养物周围形成微环境，改善营养和氧气供应。此外，器官灌注能够产生微环境生物分子梯度和相关的机械线索。这些系统被认为是具有开创性的临床前验证物质，并有潜力显著改变和加快药物开发。自从迈克尔·舒勒的团队在20041年发表了第一个单器官芯片研究以来，关于这个主题的出版物数量持续增加。除了对各种关于单器官芯片系统的出版物s2 - 4，多器官芯片(MOCs)报告越来越多，因为它们也可以模仿器官间的串音。在这里，几个器官等价物通过微流控系统通过微通道与培养基的流动相互作用。此外，这也允许进行调查药物代谢动力学参数，如吸收、分布、代谢和排泄5 - 8。成功的人体皮肤样本与三维(3D)人体的长期有机型共培养稳态在商业上可获得的MOC平台上的肝球状体已经被描述了。其他MOC-based各种器官组合的长期共培养已经建立，如肝球与人3D肠、神经元和胰岛组织模型以及皮-肠-肝-肾复合芯片物质的多组织测试。我们最近报道了第一次同步产生的重复剂量试验使用适合于共培养人类H292肺癌显微组织的MOC平台的安全性和有效性数据与人体全层皮肤等效。

在这里，我们描述了一个新的MOC连接一个三维气液界面支气管模型与肝球人原代支气管上皮细胞可在多孔载体上培养气液interface15。一旦暴露在空气中，细胞就会分化和假分层，形成三维组织与体内组织相似的。这些模型已被广泛用于模拟人类呼吸道疾病，例如

慢性阻塞性肺病、哮喘、鼻-鼻窦炎和囊性纤维症因为最新的发展在微生理系统工程中，现在也可以模拟血液循环和物理组织的运动，例如，影响支气管上皮的通透性。在在毒理学评估背景下，这些在常规静态条件下培养的3D肺模型是不准确的，因为它们只能复制吸入物质的主要作用，而这些物质的毒性可以在血液中受其他器官的影响。

肝脏表达约30种细胞色素P450 (CYP)酶，因此，起决定性作用代谢substances20。一些研究小组已经开发出了模拟人类肝脏组合的平台和其他器官，如肺。这一领域的主要研究方向是药物代谢以及使用原代人肝细胞或肝癌细胞系进行毒性研究。在本研究中，我们使用球球体由HepaRG细胞和原代人肝星状细胞(HHSteCs)形成。HepaRG是一种癌细胞系它具有类似于人类原代肝细胞的特征，并已成功用于药物代谢和毒性研究。这些细胞也被证明可以形成功能更好的3D球状体性能，优于静态培养中的二维培养物。

在本研究中，我们证明了在特定环境下培养的两种模型的稳定性和功能性设计MOC超过14天。该MOC包括一个大型介质储层和一个透气膜上方肺培养室，确保最佳空气循环。支气管粘液空气的表面积所使用的模型为0.33 cm2，相当于整个呼吸树表面积的10万分之一肺泡表面积。每个芯片使用的肝细胞数量在正常人中也占了类似的比例肝脏。黄曲霉毒素B1 (AFB1)被用来证明器官相互作用。我们发现5 μM AFB1的毒性肝球的存在降低了，证实了这种肺-肝共培养系统可以用于评估吸入物质的毒性。

Material and Methods

图1所示。多器官芯片平台和实验装置。(A)优化了Chip3plus的元器件对于中等供应，由芯片的爆炸、底部横截面图说明。(B)相关的器官Chip3plus培养物的当量和加载方案。肝球状体40个，支气管粘液气1个培养液放置在一个Chip3plus电路中(分段表示)。顺时针方向，脉动泵送方向;培养基通过培养基储存器，然后通过粘液空气培养(培养基)和肝脏模型。明亮视野图像显示支气管粘液空气培养(左)和肝球状嵌在在第0天(第0天)镶嵌在各自的培养小室。比例尺:1000 μm。