器官芯片体外建模器官间串扰：多器官芯片研究心血管-肾脏-代谢综合征

心血管-肾脏-代谢(CKM)综合征是一种由脂肪组织、肝脏、肾脏和心脏之间器官间串扰异常驱动的进行性疾病，导致多器官功能障碍。美国心脏协会建立了CKM综合征分期构架，旨在促进心脏-肾脏-代谢健康。该综合征分为0-4期，其中0期为无CKM危险因素的个体，1期定义为存在过量或功能异常脂肪组织但无其他代谢危险因素的个体，2期由代谢危险因素或慢性肾病定义，3期由亚临床动脉粥样硬化性心血管疾病或心力衰竭定义，4期由临床心血管疾病定义。据统计，约90%的美国成人符合1期或更高的CKM综合征标准。

CKM综合征的核心特征是功能失调的脂肪组织，它激活炎症信号通路，包括TNFα和IL-6，导致胰岛素抵抗、氧化应激、脂解、游离脂肪酸释放和促炎免疫细胞浸润。由于其在调节胰岛素敏感性和作为内分泌器官方面的关键作用，脂肪组织功能障碍被认为是代谢疾病的主要贡献者。脂肪组织衍生信号分子的分泌改变，如脂肪因子、细胞因子、脂因子和游离脂肪酸，驱动各种组织的炎症和功能障碍，促进其他代谢危险因素的发展。

传统的动物模型和体外培养方法在重现人类CKM综合征病理生理学方面存在局限性。种属特异性代谢差异、疾病病理的变异性以及微环境相互作用的重要性突出了重现人类病理生理学的挑战。这些不足反映在临床试验高达80%的失败率上。因此，迫切需要补充方法来阐明CKM综合征的机制，包括具有深度探究多器官相互作用独特能力的基于人体组织的器官芯片模型。

近期，发布在Circulation research期刊，题为In Vitro Modeling of Interorgan Crosstalk: MultiOrgan-on-a-Chip for Studying CardiovascularKidney-Metabolic Syndrome的研究综述了对CKM综合征的理解、当前的建模平台，探讨了体外建模器官间相互作用的基础，并探索了多器官模型如何推动该领域的发展。

图示描述

1，器官芯片技术的多样性和设计原理。器官芯片(OoC)技术旨在重现三维组织样架构，允许施加明确的机电刺激并同时收集生理读数。要被认为是器官芯片，系统必须具备三个组成部分：三维结构和空间排列、反映器官内生理多样性的多种细胞类型，以及相关生物力学力和读数的整合。心脏芯片系统通常产生模拟小梁的柱状结构，锚定在两个相对的柱子或导线上以排列细胞并驱动组织成熟。肝脏芯片采用生物仿生多层设计，复制肝小叶的三维微结构，包含六角形组织培养室和通用供给端口。肾脏芯片模型独立复制肾小球、近曲小管和远曲小管的生理学，而脂肪芯片系统通过多孔屏障实现初级人类脂肪细胞与免疫细胞和血管细胞的共培养。

图1 心血管-肾脏-代谢(CKM)综合征分期和病理生理学

2，多器官芯片系统的构建策略。多器官芯片的构建主要采用模块化和组合芯片两种策略。模块化方法中，每个组织芯片单独组装，随后通过血管模拟通道连接，允许整合器官特异性血管系统或组织成熟。组合多器官芯片设备更小，通常具有更高的通量，使用更少的培养基，在组装便利性方面可能具有优势。该方法更适合药物筛选，因为其设计更简单，组织组成不太复杂。然而，芯片的固定设计可能限制解决特定问题的能力。文中详细阐述了如何通过整合特定细胞群体、精确控制的机电条件和生化刺激来形成功能性仿生微环境，包括FA基础成熟培养基的使用和电刺激的强度训练方案。

图2 使用多器官芯片(multi-OO C)对心血管-肾脏-代谢(CKM)综合征进行建模的方法

3，免疫相互作用的建模与验证。研究展示了多器官芯片在建模免疫反应方面的重要进展。通过直接将循环免疫细胞整合到循环培养基中，成功模拟了免疫系统功能。例如，将人类Tohoku Hospital Pediatrics-1细胞引入含有hiPSC心肌细胞、原代肝细胞和原代骨骼肌的重力驱动多器官芯片的再循环培养基中，系统能够模拟对胺碘酮诱导的心脏组织损伤的靶向免疫反应，其特征是Tohoku Hospital Pediatrics-1细胞的浸润和心肌细胞收缩力受损。另一项研究开发了骨髓生态位芯片，包含产生免疫细胞所需的前体细胞，并允许它们在刺激后迁移到循环血管室。这些报告证明了在多器官芯片模型内建模炎症反应的可行性，主要关注先天性免疫细胞反应。

4，心肾轴和代谢组织相互作用建模。心脏和肾脏系统之间的相互关系在多器官芯片中得到了初步探索。一项研究连接了使用原代人细胞生成的多个器官芯片(心脏、肺、肠、肝、肾、皮肤、血脑屏障和大脑)，通过血管灌注连接，内皮屏障促进了血管和实质间室的分离。肾组织在延长培养期间保持其功能性(如白蛋白重吸收)，这对于建模CKM综合征等慢性疾病非常重要。在代谢组织相互作用方面，多项研究探索了肝脏-胰腺轴、脂肪-肝脏轴等关键代谢通路。Zandi Shafagh等人开发的多器官芯片包含原代人肝球体和胰岛，系统重现了组织典型器官功能，如胰岛素分泌和肝脏胰岛素反应。研究人员还开发了包含hiPSC衍生脂肪细胞和肝细胞的多器官芯片，证明了系统能够重现肝脏对胰高血糖素的反应和胰岛素介导的葡萄糖摄取。

5，CKM综合征分期特异性建模策略。针对CKM综合征的不同阶段，研究提出了分期特异性的多器官芯片建模方法。1期CKM综合征可通过引入促炎介质(如IL-6和TNFα)或M1极化巨噬细胞来诱导脂肪组织功能障碍建立。2期可通过诱导脂肪组织功能障碍同时结合肝功能障碍，并整合额外的代谢应激因子，如升高或振荡的葡萄糖、改变的胰岛素浓度来建模。3期可通过延长2期培养条件来模拟慢性代谢应激，或使用更高浓度的代谢综合征因子来加速组织功能障碍。4期可通过扩展3期培养条件并结合心脏靶向冷冻损伤或缺氧/再氧合来模拟心肌梗死和射血分数降低的心力衰竭。这种分期方法为系统性研究CKM综合征进展提供了框架。

图3 建立第二阶段心血管-肾脏-代谢(CKM)综合征的多器官芯片(multi-OoC)模型

6，分析方法和功能评估体系。研究详细描述了CKM综合征多器官芯片的综合分析方法，包括实时和终点评估的结合。对于心脏功能，可使用力传感器、应变传感器或视频显微镜技术结合弹性悬臂微柱评估收缩和舒张特性。电生理方法如多电极阵列、场效应晶体管或钙成像技术可评估电异常或心律失常表型。肾功能评估包括使用荧光标记白蛋白评估肾小球滤过屏障功能，通过阻抗谱或TEER传感器监测肾小管上皮屏障完整性。脂肪组织功能障碍的特征包括增强的炎症、增加的脂解、胰岛素敏感性受损等，可通过荧光标记脂肪酸量化脂质摄取动力学。肝功能评估重点关注胰岛素反应、糖异生和脂质积累等关键功能读数。

全文总结

本研究为CKM综合征的体外建模提供了全新的多器官芯片技术平台，具有重要的科学和临床转化意义。首先，该技术突破了传统动物模型在种属差异和病理重现方面的局限，为理解人类CKM综合征的复杂器官间相互作用提供了更准确的研究工具。其次，分期特异性建模策略为CKM综合征不同阶段的机制研究和药物开发提供了精确的研究框架，有助于识别疾病进展的关键节点和干预靶点。研究的技术创新在于成功整合了心脏、肾脏、肝脏、脂肪等多个器官模块，实现了生理相关的器官间串扰建模，这对于理解系统性疾病如CKM综合征至关重要。该平台还具备高通量药物筛选的潜力，可用于评估针对不同CKM综合征阶段的治疗策略效果，加速个性化医疗的发展。此外，该研究为监管机构接受器官芯片技术作为药物开发工具提供了重要的技术基础和验证参数。通过建立标准化的功能评估体系和基准参数，有助于推动器官芯片技术在制药工业中的广泛应用，最终减少对动物实验的依赖，提高临床试验的成功率。