肺是人体最大的器官,并且在所有器官的氧化中起关键作用。由于其结构,细胞组成和动态微环境,很难在体外进行模拟。

瑞士伯尔尼大学ARTORG生物医学工程研究中心的专门实验室由Olivier Guenat领导 称为片上器官的新一代体外模型,着重于对肺及其疾病进行建模。

在首次成功地模拟了肺的基本特征的片上肺系统之后,片上器官(OOC)技术实验室现在与亥姆霍兹感染中心合作开发了一种纯生物的下一代片上肺在德国以及Inselspital的胸外科和肺病科进行研究。

完全可生物降解的真人大小的空气屏障

Pauline Zamprogno在OOC为其博士学位论文开发了新模型,总结了其特征:“新的片上肺可重现一系列具有体内尺寸的肺泡。它基于薄而可拉伸的膜,由肺中天然存在的分子:胶原蛋白和弹性蛋白制成。该膜是稳定的,可以在两侧均培养数周,可生物降解,其弹性特性可以通过机械拉伸细胞来模仿呼吸运动。”

与第一代也是由Olivier Guenat围绕该团队建立的相比,开发的系统重现了肺细胞外基质(ECM)的关键方面:其组成(由ECM蛋白制成的细胞支持),其结构(肺泡阵列)其尺寸类似于体内+纤维结构的尺寸)及其特性(可生物降解性,这是研究肺部疾病(如IPF或COPD)中屏障重塑的关键方面)。另外,与来自第一代片上肺的聚二甲基硅氧烷可拉伸多孔膜相比,制造过程简单且麻烦。

广泛的潜在临床应用

目前要从新的芯片上培养的细胞用于研究,这些细胞是从胸腔内外科的肺切除术中接受癌症切除的癌症患者获得的。部门主管Ralph Schmid认为该系统具有双重优势:“第二代片上肺可以接种健康或患病的肺泡细胞。这使临床医生对肺部有了更好的了解’生理学和药物筛查的预测工具,也可能用于精密医学,确定具有最大潜力帮助特定患者的特定疗法。”

“这种膜的应用范围很广,从对肺功能和病理的基础科学研究,到发现新途径,以及更有效地发现潜在的新疗法。”,Inselspital肺炎学系主任兼Insel Gruppe教学与研究主任Thomas Giser说。

研究中动物模型的强大替代品

另外,新的片上肺可以减少基于动物模型的肺病学研究的需求。“由于在物种和肺部疾病的表达上存在差异,因此在人体中进行临床前模型测试的许多有前途的候选药物在人体中进行测试时都失败了,”Olivier Guenat解释说。“因此,从长远来看,这就是为什么我们的目标是减少动物试验,并提供更多与患者相关的药物筛选系统,并可能为特定患者量身定制模型(通过在自己的细胞上植入片上器官)。”

Pauline Zamprogno和她的OOC Technologies小组的同事将进一步开发这种新的生物片上肺,以模仿患有特发性肺纤维化(IPF)的肺部,这种原发性肺纤维化是一种慢性肺部疾病,导致内部肺组织进行性瘢痕形成瑞士3R能力中心(3RCC)资助的研究项目的框架。“我的新项目包括基于生物膜的IPF芯片模型的开发。到目前为止,我们已经开发出健康的空气屏障。现在它’是时候用它来研究一个真正的生物学问题了,” says Zamprogno.