摘要： 微生理系统MPS通过人源细胞、3D组织结构以及动态培养环境，为药物安全毒理研究增加了更加接近人体生理环境的模型选择。本文基于4项公开客户研究案例，分别介绍Liver-on-Chip在人源代谢依赖型遗传毒性研究中的应用、人源肠道类器官与动态gut-on-a-chip在胃肠道毒性预测中的表现、气道类器官和灌流ALI模型对杯状细胞及组织功能变化的检测，以及不同肾脏体外模型对16种化合物肾毒性预测能力的比较，从不同器官视角梳理PhysioMimix在安全性毒理研究中的应用思路。
关键词：器官芯片、微生理系统、CN Bio、PhysioMimix、安全性毒理、遗传毒性、肝毒性、胃肠道毒性、肺毒性、肾毒性、药物研发
器官芯片或微生理系统通常利用人源细胞和组织建立具有特定生理结构和功能的体外模型，并通过动态培养、组织结构和细胞间相互作用等方式增加模型的人体相关性。随着药物研发问题从单纯观察细胞存活逐渐进入疾病机制、药物代谢、器官功能和临床毒性预测，MPS也开始被用于安全性毒理、ADME和疾病建模等不同研发阶段。
药物进入人体后往往需要经历多个器官和不同细胞类型的共同作用，因此安全毒性并不总能被简单二维单细胞体系完整重现。有些遗传毒物需要肝脏代谢后才产生真正活性，有些胃肠道药物主要破坏复杂屏障和细胞谱系，有些肺部风险首先表现为杯状细胞或黏液纤毛功能异常，而肾脏药物毒性还可能受到流体环境、细胞极性和转运功能影响。
以下4个公开案例分别从肝、肠、肺和肾脏切入，展示不同MPS安全毒理研究问题。更多相关资料可参考CN Bio器官芯片应用案例专栏。
一、四项器官芯片安全毒理研究概览
| 客户 / 研究团队 | 器官模型 | 研究方向 | 主要研究价值 |
|---|---|---|---|
| Charles River Laboratories × TwinStrand Biosciences | 肝脏 | 遗传毒性 / 致突变性 | 结合人源肝脏代谢能力与Comet、Micronucleus、Duplex Sequencing等多种遗传毒性终点 |
| Pharmaron（Beijing） | 肠道 | 胃肠道毒性 | 比较HIO和Caco-2，并进一步引入动态gut-on-a-chip评价临床相关胃肠道损伤 |
| Pharmaron（Beijing） | 肺 / 气道 | 肺毒性 | 关注杯状细胞、纤毛细胞和黏液纤毛相关功能变化，而不只观察细胞活力 |
| Texas A&M University × Roche、Sanofi、Merck等 | 肾脏 | 肾毒性预测 | 直接比较96孔板、静态Transwell、OrganoPlate和PhysioMimix T12的毒性预测能力 |
二、案例一：Liver-on-Chip将人源肝脏代谢与多终点遗传毒性评价连接起来
遗传毒性评价中的一个重要难点，是某些药物必须经过肝脏代谢之后才能形成真正具有遗传毒性的活性产物。如果实验模型缺少有效肝脏代谢，部分pro-genotoxicant就可能无法在体外呈现真实风险。
Charles River Laboratories和TwinStrand Biosciences建立了基于PhysioMimix T12的Liver-on-Chip模型，将PHH或HepaRG与TK6细胞共同纳入动态微流体体系，从而将人源肝脏代谢和遗传毒性评价结合。
研究同时观察3类遗传毒性终点，包括Comet assay反映的DNA链断裂、Micronucleus assay反映的染色体损伤或丢失，以及Duplex Sequencing检测的基因突变，并通过白蛋白、尿素和CYP活性等指标确认肝脏相关代谢功能。
结果中，直接遗传毒物MMS和EMS在多个检测终点产生响应；需要代谢活化的CP和B[a]P也分别在微核/突变和DNA损伤相关终点观察到阳性信号。因此，这一研究展示了如何将人源肝脏代谢能力和多层级遗传毒性终点整合在同一体外系统中。
三、案例二：人源肠道类器官提高胃肠道毒性检测敏感性
胃肠道毒性是药物临床开发中的常见不良事件，但传统Caco-2属于单一细胞系，无法完整重现人体肠道中的crypt-villus结构以及多种上皮细胞谱系。
Pharmaron建立了人源肠道类器官HIO及其衍生屏障模型，并进一步连接动态gut-on-a-chip体系。
在一组具有不同临床腹泻发生率的药物比较中，HIO对胃肠道毒性的预测敏感性达到78%，而Caco-2为22%，两种模型均表现出较好的特异性，没有观察到明显假阳性。
具体化合物结果同样显示模型差异。Trametinib在Caco-2中的IC50大于1000 nM，而HIO中的结果约为26.2 nM；5-FU在Caco-2中的IC50大于100,000 nM，而HIO中的结果约为1,681 nM。
进一步使用动态gut-on-a-chip后，在Trametinib临床相关Cmax条件下已经能够观察到屏障损伤，并出现ZO-1紧密连接异常和MUC2变化。这一案例说明，人源类器官与动态组织模型可以在传统细胞系之外提供另一类胃肠道毒性评价信息。
四、案例三：气道毒性从细胞活力进一步进入细胞谱系和组织功能
药物诱导性肺损伤并不一定首先表现为大量细胞死亡，也可能先影响气道细胞分化、杯状细胞比例以及黏液纤毛相关功能。Pharmaron因此建立了3D人源支气管类器官HBO、NHBE气液界面培养模型，并进一步使用PhysioMimix建立灌流bronchi-on-a-chip。
HBO经过14天分化后可形成具有杯状细胞和纤毛细胞特征的气道结构，原稿资料同时显示灌流培养相较静态ALI具有更好的分化表现。
使用afatinib进行验证后，分化HBO中的IC50约为15.18 μM，同时MUC5AC表现出剂量依赖性下降。在NHBE ALI模型中，TEER、通透性和总体细胞活力没有表现出明显的剂量依赖变化，但MUC5AC表达及杯状细胞组成已经明显下降。
这一结果说明，组织功能和细胞谱系变化可能早于明显细胞死亡，因此肺毒性研究如果仅依赖通用细胞活力指标，就可能漏掉部分早期组织功能风险。
五、案例四：不同肾脏模型会直接影响肾毒性预测表现
Texas A&M University联合Roche、Sanofi、Merck、Unilever、NIEHS等机构，对16种化合物进行了肾毒性比较研究。研究将HRPTEpC分别培养于传统96孔板、静态Transwell、PhysioMimix T12流体Transwell以及OrganoPlate中，并通过LDH、TEER、药物转运和转录组等多个维度进行评价。
结果显示，96孔板对于肾毒性信号的响应相对有限，而Transwell、OrganoPlate和PhysioMimix T12等具有更加接近生理环境特征的模型表现出更加突出的毒性预测能力。原稿资料中，PhysioMimix T12在敏感性、特异性、准确率和MCC等多项指标上表现出较好的综合结果。
研究同时发现，TEER对部分早期毒性变化的响应相对有限，而LDH能够在更低浓度下观察到毒性相关变化。由此可见，模型升级之后仍然需要针对具体毒性机制选择适合的检测终点。
六、四个案例为何都从“细胞毒性”走向“器官功能”
虽然4项研究针对不同器官，但共同特点非常明显。肝脏模型把代谢和遗传毒性结合；肠道模型引入复杂细胞谱系和动态屏障；肺模型进一步观察杯状细胞及组织分化；肾模型则将动态培养与细胞损伤、屏障、转运和转录组结合。
因此，器官芯片安全毒理并不是简单把二维细胞放进微流控设备，而是围绕不同器官真正具有生物学意义的功能建立实验读出。
七、PhysioMimix在这类研究中的定位
PhysioMimix是一类用于构建人体相关微生理系统的微流控平台，可根据研究需求建立不同器官以及不同动态培养模型。原稿资料中涉及肝脏、肠道、肺/气道以及肾脏等多个安全毒理场景。
对于具体研究而言，平台本身并不能代替实验设计，真正需要确定的仍然是目标器官、细胞来源、培养条件、临床暴露水平以及最能反映毒性机制的终点。
八、总结
安全毒理评价正在从简单的细胞死亡检测向更加人体相关的器官功能评价发展。Charles River Laboratories和TwinStrand Biosciences的肝脏研究展示了人源代谢与遗传毒性的结合；Pharmaron的肠道研究显示HIO和动态屏障模型可以捕捉Caco-2没有充分显示的部分胃肠道毒性；肺部研究进一步证明杯状细胞和MUC5AC等组织功能终点可能早于总体细胞活力变化；多机构肾毒性研究则直接证明不同体外模型本身就可能改变毒性预测表现。
这些结果说明，体外毒性模型不只是实验的载体，它本身就是影响研究结论的重要变量。MPS的真正价值在于为研究人员提供更多接近人体组织环境的实验选择，从而根据具体毒性机制选择最合适的模型和检测终点。
参考资料
- B. Kopp, A. Khawam, K. Di Perna, et al. Liver-on-chip model and application in predictive genotoxicity and mutagenicity of drugs. Mutation Research - Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 2024;896:503762.
- 案例二、案例三、案例四相关研究结果依据CN Bio公开客户资料及相关应用资料整理。
拓展阅读
CN Bio器官芯片与微生理系统应用专栏
器官芯片安全毒理应用案例技术资料
关于技术来源
本文基于CN Bio公开技术资料及相关客户安全毒理研究信息，曼博生物整理，仅用于科研信息分享和实验方案参考。文中的Comet、Micronucleus、Duplex Sequencing、HIO 78%与Caco-2 22%敏感性、Trametinib约26.2 nM、5-FU约1,681 nM、afatinib约15.18 μM以及16种肾毒性化合物比较均来自对应公开研究体系，实际结果会受到细胞来源、药物浓度、暴露时间和检测终点等因素影响。本文围绕CN Bio、PhysioMimix、器官芯片、微生理系统、遗传毒性、胃肠道毒性、肺毒性和肾毒性等方向整理相关公开技术信息。
转载自 CSDN-专业IT技术社区
原文链接：https://blog.csdn.net/MineBio/article/details/165294196
