隨著醫(yī)療保健技術(shù)的飛速發(fā)展，人類的預(yù)期壽命逐漸延長，老齡化人口也相應(yīng)增加，這使得神經(jīng)退行性疾病（ND）的發(fā)病率呈現(xiàn)出上升趨勢。然而，傳統(tǒng)的動物模型和2D細(xì)胞培養(yǎng)模型在模擬人類病理生理條件方面存在諸多不足，如無法準(zhǔn)確模擬復(fù)雜的病理損傷以及忽視多發(fā)性病例等問題。
鑒于現(xiàn)有模型的這些局限性，我們迫切需要開發(fā)更為先進的體外模型。這些模型應(yīng)能夠準(zhǔn)確復(fù)制各種生理條件，多細(xì)胞類型和細(xì)胞間的相互作用，同時還應(yīng)具備實時監(jiān)測和調(diào)控的能力。通過這樣的模型，我們可以更深入地研究ND的病理過程，為疾病的預(yù)防和治療提供更為有效的策略。
最近，一些替代培養(yǎng)系統(tǒng)如3D細(xì)胞培養(yǎng)、3D生物打印的組織工程和微流控技術(shù)，作為傳統(tǒng)體外模型的替代品出現(xiàn)，以提供更可靠和更具代表性的人體系統(tǒng)。其中，微流控技術(shù)能夠復(fù)制器官的關(guān)鍵元素，并精確控制生物化學(xué)和生物力學(xué)方面，為疾病研究提供了高通量、生理相關(guān)且成本效益高的解決方案。通過結(jié)合先進的生物和工程技術(shù)，基于芯片的體外建模正在擴大其可能性，如使用2D和3D微流控芯片模擬ND。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，來自韓國成均館大學(xué)（Sungkyunkwan University）等機構(gòu)的研究人員討論了使用微流控芯片建立ND模型的一般策略，并介紹了作為下一代先進相關(guān)模型的類器官芯片。最后，研究人員概述了這些模型在學(xué)術(shù)和工業(yè)藥物開發(fā)中的應(yīng)用情況。總體而言，微流控芯片、干細(xì)胞和生物技術(shù)器件的整合有望為生物醫(yī)學(xué)研究以及ND診斷和治療方案的開發(fā)提供有價值的見解。相關(guān)論文以“Neuropathogenesis-on-chips for neurodegenerative diseases”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。
基于微流控芯片的ND模型構(gòu)建方法
（1）選擇細(xì)胞源
人腦由眾多神經(jīng)元和非神經(jīng)元細(xì)胞構(gòu)成，從而形成復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。腦血管細(xì)胞在疾病中扮演關(guān)鍵角色。每種腦細(xì)胞存在不同亞型，展現(xiàn)其復(fù)雜性。由于進入人腦的限制，需要開發(fā)具有區(qū)域特異性特征的源細(xì)胞方法，這在ND建模中尤為重要。現(xiàn)有的ND體內(nèi)和體外動物模型提供了有價值的見解，但存在局限性。外部方法和非哺乳動物物種也被用于ND研究。人類胚胎干細(xì)胞（hESC）和誘導(dǎo)神經(jīng)分化方法也被用于模擬ND，但存在倫理問題和其他需要改進的方面。家族性和散發(fā)性患者來源的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）是另一個候選細(xì)胞來源，能產(chǎn)生與人類相關(guān)的病理表型。盡管動物模型發(fā)揮著重要作用，但人類患者來源的細(xì)胞更可能成為ND研究的可靠體外模型。
（2）選擇微流控芯片設(shè)計
芯片在大腦研究中被首次應(yīng)用于“Campenot室”系統(tǒng)，用于研究神經(jīng)生長因子對軸突生長的影響。隨后，研究人員通過模擬大腦的不同層次細(xì)胞，將大腦的復(fù)雜特征轉(zhuǎn)化為簡單和小型化的系統(tǒng)。微流控芯片由多個用于細(xì)胞共培養(yǎng)的室組成，這些室通過微通道、多孔膜和相位波導(dǎo)連接，允許不同細(xì)胞群之間的直接或間接相互作用。這種芯片設(shè)計可以控制神經(jīng)突生長方向、回路連接和大小，并創(chuàng)建不同類型的神經(jīng)元連接。此外，芯片上的閥門和外部因素可用于控制流體流動和細(xì)胞環(huán)境，從而模擬不同濃度的化學(xué)物質(zhì)梯度，對疾病建模有重要作用。多孔膜基芯片作為隔室之間的接口，可以實現(xiàn)間接和直接的相互作用，用于模擬血腦屏障等結(jié)構(gòu)。這些設(shè)計提供了更多維度的交互，有助于深入研究大腦的復(fù)雜特征。
（3）監(jiān)控和分析步驟
微流控芯片在監(jiān)測和分析方面具有多個優(yōu)點，如實時監(jiān)測、多組學(xué)分析和整合生物傳感器等。大多數(shù)微流控芯片由透明光學(xué)材料制造而成，通過流體通道入口引入非常少量的染色染料和抗體可檢測生物標(biāo)志物，但需防污染和氣泡。集成生物傳感器可連續(xù)測量細(xì)胞特性，評估細(xì)胞響應(yīng)。芯片腦可測量血腦屏障完整性和神經(jīng)元電信號。芯片外分析工具可用于分析樣品。開放芯片設(shè)計提供了更多優(yōu)勢，如暴露于化學(xué)成分、簡化收集和分析，但需注意流體流動的可控性。
（4）ND發(fā)病機制建模的應(yīng)用
為了研究神經(jīng)相關(guān)疾病，可通過匹配的芯片設(shè)計復(fù)制相關(guān)解剖和生理單元。然而，現(xiàn)有的微流控芯片研究受限于細(xì)胞來源和2D靜態(tài)設(shè)計，缺乏生理學(xué)相關(guān)性。2D系統(tǒng)無法模擬復(fù)雜的相互作用和生理條件，影響細(xì)胞的功能和體內(nèi)相關(guān)性。相比之下，3D細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）凝膠提供了更真實的細(xì)胞環(huán)境，改善了細(xì)胞形態(tài)、遷移和信號傳導(dǎo)，允許時間依賴性分化和神經(jīng)退行性變化。為了創(chuàng)造3D微環(huán)境，需要考慮ECM的特性，這些特性影響腦細(xì)胞行為和疾病機制。水凝膠已集成到微流控芯片中，以模擬更生理相關(guān)的腦組織環(huán)境。
ND芯片應(yīng)用案例
（1）阿爾茨海默病（AD）芯片
微流控芯片已廣泛應(yīng)用于AD發(fā)病機制的研究，包括Aβ和tau病變、線粒體功能障礙和神經(jīng)炎癥等，提供了傳統(tǒng)培養(yǎng)方法無法獲得的新見解。芯片可以實時可視化蛋白質(zhì)病變，并發(fā)現(xiàn)tau蛋白的傳播特性。同時，微流控芯片可以模擬體內(nèi)動態(tài)條件，如間質(zhì)流速和Aβ聚集體梯度形成，以研究Aβ對神經(jīng)元的毒性作用。此外，芯片還用于研究家族性AD特異性突變基因轉(zhuǎn)導(dǎo)的人類神經(jīng)祖細(xì)胞，以及星形膠質(zhì)細(xì)胞和致病蛋白在神經(jīng)炎癥中的作用。通過整合不同類型的細(xì)胞，芯片可以揭示神經(jīng)炎癥的分子機制。近年來，研究還關(guān)注腦特征如血腦屏障和神經(jīng)血管單位在AD發(fā)病機制中的作用。微流控芯片與3D培養(yǎng)的結(jié)合，以及淋巴流動模擬，為探索體內(nèi)類似條件提供了更多可能性。這些研究有望為AD的藥物篩選和治療策略提供新的線索。
（2）帕金森病（PD）芯片
現(xiàn)有的PD芯片研究多集中在α-syn相關(guān)發(fā)病機制上，而涉及多巴胺能神經(jīng)元的研究較少。研究者利用微流控芯片模擬PD中多巴胺能神經(jīng)元凋亡和α-syn的傳播。芯片設(shè)計能清晰觀察α-syn纖維攝取及其在神經(jīng)元間的運輸。研究還探討了α-syn低聚物對突變體PD患者神經(jīng)元的毒性。另外，通過微閥控制流體動力學(xué)的芯片，成功演示了α-syn的攝取和擴散。多室芯片能模擬神經(jīng)元間α-syn的傳播，并成功再現(xiàn)復(fù)雜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。微流控芯片還應(yīng)用于研究多巴胺能神經(jīng)元在PD中的受損情況，血腦屏障在PD發(fā)病中的作用，以及星形細(xì)胞活性與血腦屏障功能障礙和炎癥的關(guān)系。
（3）肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）芯片
基于新發(fā)現(xiàn)的遺傳因素，研究者開發(fā)了嚙齒動物模型來研究ALS，這些模型主要反映家族性ALS，并在體外揭示了與ALS相關(guān)的細(xì)胞過程功能障礙。盡管已存在研究有毒蛋白聚集和傳播的微流控芯片模型，但尚未有針對散發(fā)性ALS的特定模型。神經(jīng)炎癥是ALS的一個致病特征，微流控培養(yǎng)系統(tǒng)可用于模擬星形膠質(zhì)細(xì)胞對神經(jīng)元的影響。利用微流控芯片的區(qū)隔化元素，研究者共培養(yǎng)了肌細(xì)胞和運動神經(jīng)元以研究ALS中的NMJ損傷。這些模型重現(xiàn)了ALS的某些特征，但使用人類特異性運動神經(jīng)元和原始嚙齒動物肌纖維時可能失去生理學(xué)相關(guān)性。其中一種定制的3D微流控芯片能夠共同培養(yǎng)患者來源的運動神經(jīng)元球體和骨骼肌母細(xì)胞，并成功重現(xiàn)了ALS的某些病理過程。
（4）亨廷頓氏舞蹈癥（HD）芯片
微流控芯片在HD研究中的應(yīng)用相對較少。這些芯片主要模擬皮質(zhì)紋狀體網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)在HD中易受損。研究利用轉(zhuǎn)基因小鼠神經(jīng)元在芯片上探索mHTT對神經(jīng)回路的毒性。芯片設(shè)計允許觀察紋狀體神經(jīng)元退化和突觸減少，以及mHTT導(dǎo)致的運輸缺陷。研究小組還利用芯片研究藥物靶標(biāo)，如APT1抑制劑ML348，可改善運動缺陷和行為改變。此外，五室芯片模擬基底神經(jīng)節(jié)回路，展現(xiàn)不同細(xì)胞群間的連接。集成MEA的微流控芯片能實時分析神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能，檢測亨廷頓蛋白對回路的影響。電刺激微流控芯片是改進方向之一，能重現(xiàn)并測量皮質(zhì)紋狀體回路的神經(jīng)元活動，但尚未應(yīng)用于HD研究。
基于微流控芯片的體外3D模型
腦類器官能模擬不同細(xì)胞組成的疾病特異性腦區(qū)域，如前腦、中腦和后腦。研究人員使用多種方法模擬ND，但多限于家族病例。針對ND中不同腦區(qū)域間的相互作用，Pasca等人創(chuàng)建了組合類器官（腦組裝體），以更好地概括區(qū)域間的相互作用，并應(yīng)用于多種疾病模型。Kong等人開發(fā)的融合皮質(zhì)血管集合體，可模擬系統(tǒng)性炎癥對AD神經(jīng)炎癥的加速作用。Rickner等人則生成了神經(jīng)-星形膠質(zhì)細(xì)胞組裝體，展現(xiàn)了一些病理變化，并對治療有反應(yīng)。然而，類器官模型在研究ND方面仍存在爭議，目前更適合模擬神經(jīng)發(fā)育障礙，但其在細(xì)胞組成、解剖特征和腦卷積方面的成熟結(jié)果也令人鼓舞。近年來，人們設(shè)計了多種類器官培養(yǎng)平臺，旨在改善類器官的體內(nèi)特征、成熟度和均勻性，同時減少培養(yǎng)時間和勞動量。這些平臺具備與免疫和血管成分合作的能力，并可配合生物成像和生物傳感器進行有效分析。一些研究通過“一站式”微流控平臺解決了傳統(tǒng)類器官培養(yǎng)方案中的問題，實現(xiàn)了培養(yǎng)、維護和監(jiān)測的全程自動化。此外，3D培養(yǎng)中的支架材料和微流控芯片設(shè)計也發(fā)揮了重要作用，促進了類器官的成熟和特征發(fā)展。同時，血管化和免疫相互作用的模擬對于進一步表征腦類器官至關(guān)重要。微流控芯片還可以與生物成像設(shè)備和生物傳感器集成，實現(xiàn)精確的監(jiān)測和分析。
基于微流控芯片的體外模型在藥理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景
（1）ND藥物開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)
盡管在疾病理解和技術(shù)創(chuàng)新方面取得了實質(zhì)性進展，但開發(fā)非傳染性疾病的有效治療方法仍具挑戰(zhàn)性。最近AD治療有所突破，但新藥的有效性僅針對特定階段，且Aβ-抗抗體在人類認(rèn)知中的效果存在爭議。考慮到ND的多因素和異質(zhì)性，仍需更多努力擴大藥物有效性。此外，開發(fā)過程需成本效益高且省時。過去AD藥物開發(fā)投入巨大但成果有限，失敗原因包括干預(yù)時機不當(dāng)、生物標(biāo)志物不足和研究模型不準(zhǔn)確。家族性基因工程小鼠模型存在局限性，不能完全復(fù)制ND特征，且長期保存昂貴耗時。因此，將研究轉(zhuǎn)向更生理相關(guān)的人類細(xì)胞體外模型，結(jié)合新藥特征，有望降低成本和時間，產(chǎn)生更具代表性的測試結(jié)果。
（2）微流控芯片在制藥行業(yè)中的應(yīng)用
近二十年來，體外模型在學(xué)術(shù)界逐漸發(fā)展，但制藥行業(yè)尚未采納微流控芯片。隨著FDA政策轉(zhuǎn)向使用更多人類相關(guān)模型進行藥物測試，學(xué)術(shù)界和制藥行業(yè)開始使用芯片上的器官和基于器官的模型。一些大型制藥公司已使用類器官和微流控芯片提高藥物篩選準(zhǔn)確性。全球也在努力將學(xué)術(shù)成果轉(zhuǎn)化為制藥行業(yè)，利用標(biāo)準(zhǔn)化和可重復(fù)的藥物篩選方法。美國國立衛(wèi)生研究院啟動了贈款項目，驗證用于藥物測試的組織芯片平臺，包括復(fù)制腎臟、肝臟和血腦屏障的微生理系統(tǒng)，以提高其應(yīng)用的可靠性、可重復(fù)性、穩(wěn)健性和吞吐量。
（3）用于學(xué)術(shù)層面藥物篩選的微流控芯片
制藥行業(yè)在解決可重復(fù)性和可擴展性問題上持續(xù)努力，同時學(xué)術(shù)領(lǐng)域也在芯片上進行潛在ND藥物成分的藥物篩選和毒性研究。許多公司提供微流控芯片供研究人員用于疾病機制、藥物篩選和毒性的研究。一些研究小組已經(jīng)利用這些芯片對先前被拒絕的候選藥物進行了重新評估。此外，單層培養(yǎng)方法常用于藥物發(fā)現(xiàn)，但3D細(xì)胞培養(yǎng)和患者來源的類器官被認(rèn)為能提供更接近體內(nèi)特征的模型，有望提高臨床預(yù)測性。學(xué)術(shù)界已經(jīng)開始將類器官應(yīng)用于藥物發(fā)現(xiàn)研究，這些研究不僅評估了藥物對功能性3D共培養(yǎng)的影響，還評估了藥物通過內(nèi)皮細(xì)胞（EC）屏障的傳遞。新型類器官培養(yǎng)藥物篩選平臺也展現(xiàn)出患者源性類器官在ND藥物篩選中的潛力。
（4）先進微流控芯片在制藥行業(yè)的應(yīng)用前景
全球合作努力整合微流控芯片與先進技術(shù)，有望徹底改變制藥行業(yè)。類器官芯片和多器官芯片系統(tǒng)在藥物發(fā)現(xiàn)中起關(guān)鍵作用，從靶標(biāo)識別到臨床前篩選，甚至可用于臨床階段決定患者亞型的有效治療。然而，實現(xiàn)這一目標(biāo)需克服可靠性、可重復(fù)性、兼容性等技術(shù)和工業(yè)挑戰(zhàn)，同時需要定義驗證和建模基準(zhǔn)。先進的芯片系統(tǒng)能驗證藥物對神經(jīng)病理的影響，測量功能變化，為ND提供臨床相關(guān)評估。多器官芯片平臺可測試藥物作用機制、安全性等，減少動物模型依賴，提供更具代表性、成本效益和準(zhǔn)確的結(jié)果。患者來源的細(xì)胞源可促進有效治療發(fā)展。未來，微流控芯片將為腦類器官和組裝體翻譯及ND藥物發(fā)現(xiàn)和個性化醫(yī)療發(fā)展做出貢獻，盡管面臨生物、技術(shù)和商業(yè)挑戰(zhàn)，但微流控芯片和分子生物物理技術(shù)有望促進對ND發(fā)病機制的理解，減少對動物模型的依賴。
綜上所述，該論文探討了利用先進的體外系統(tǒng)來模擬不同類型的神經(jīng)退行性疾病，為生物醫(yī)學(xué)研究和藥物開發(fā)提供了寶貴的見解。傳統(tǒng)的2D和靜態(tài)條件下的微流控芯片在模擬神經(jīng)退行性疾病時存在生理學(xué)上的局限性，而采用3D細(xì)胞外基質(zhì)凝膠可以提供細(xì)胞更多的機械結(jié)構(gòu)和生化信號，從而改善細(xì)胞形態(tài)、遷移行為、信號傳導(dǎo)和基因表達等方面的相關(guān)性。此外，文中還提到了神經(jīng)退行性疾病的病理生理機制，如Tau蛋白的傳播和聚集，以及細(xì)胞外基質(zhì)對疾病發(fā)生發(fā)展的重要性。本綜述有助于讀者更好地了解神經(jīng)退行性疾病研究領(lǐng)域的最新進展和未來發(fā)展方向。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46554-8
延伸閱讀：
《即時診斷應(yīng)用的生物傳感器技術(shù)及市場-2022版》
