Emulate器官芯片助力研究藥物引起肝損傷的機制
肝器官芯片同時支持多種肝實質/非實質細胞生長，通過微流控系統驅動培養基的連續灌注，能夠確保這些細胞維持正常的生長、代謝以及在其他因素刺激后呈現應有的反應狀態，從而達到模擬肝臟微小結構單元的生理或病理狀態。目前，肝芯片應用的場景較為廣泛，例如毒性測試、藥物安全性測試、對特定疾病建模、研究疾病病理機制等。下面我們分享肝芯片和藥物引起肝損傷的兩篇文章。
一、肝臟芯片可在各物種中預測候選藥物的毒性
新藥研發流程進入臨床試驗前，會在非嚙齒動物模型中評估其安全性。目前，非嚙齒動物模型的毒理實驗能夠正確預測71% 毒性，其中在胃腸道、血液學和心血管毒性的預測中表現出相對較高的一致性，但在預測藥物性肝損傷 （DILI）的表現中并不理想。
本文中作者使用肝芯片容納源自非嚙齒動物（大鼠、狗）和人的不同類型的肝細胞—肝實質細胞、內皮細胞、星狀細胞和庫普弗細胞，構建了具有功能的體外肝臟單元，從而實現跨物種檢測多種藥物對肝臟的特異性作用。
圖1 肝細胞結構的肝芯片示意圖注：原代肝細胞以ECM三明治形式在上實質通道中生長，NPC（LSEC、Kupffer 和星狀細胞）生長在下血管通道中同一膜的另一側
例如，研究發現波生坦（一種被批準用于治療肺動脈高壓的藥物）可導致人類膽汁淤積，但不會引起大鼠或狗的膽汁淤積。每天施用不同濃度的波生坦會導致物種特異性芯片中的白蛋白分泌減少，這一效應在人、狗和大鼠芯片中具有不同的體現，其中，波生坦施加在人肝芯片上的效果與臨床反應的相關性最強，其在人肝芯片上的毒性濃度和出現DILI的患者血漿濃度近似。
接下來進行的實驗表明，將因導致大鼠肝毒性而停產的楊森專有化合物JNJ-2在大鼠芯片中測試，連續每日施用JNJ-2（150mg/kg），持續2周會導致芯片上表現出肝纖維化的現象。但相比之下，用相同濃度連續處理人肝芯片4天不會影響肝細胞正常功能，延長處理時間至14天，也不會產生這些異常，這說明大鼠和人肝細胞對JNJ-2的反應具有物種差異。
最后，該平臺測試一種名叫TAK-875的候選藥物的特異性毒性作用，該藥物會導致線粒體功能障礙、氧化應激、脂滴形成和先天免疫反應（細胞因子釋放）等副作用。實驗結果表明，在部分肝芯片測試中發生了例如在一項24周的TAK-875臨床試驗中，7名轉氨酶高的患者中有5名的肝活檢出現脂肪變性。通過在肝芯片中用藥測試后發現，繼發于線粒體功能障礙和活性氧形成的脂肪性肝炎可能是TAK-875治療后DILI的潛在表型。這項試驗體現了肝臟芯片在評估反應性代謝物形成的病理生理學后果方面的優勢，可在藥物測試過程中更好地了解候選藥物的副作用。
二、評估人類肝臟芯片在藥性肝損傷方面的應用
本文評估了肝器官芯片再現肝臟代謝和毒理學表型的能力。與2D靜態培養物相比，它們允許在更長的時間內維持與在體肝細胞一致的表型。肝器官芯片在檢測DILI化合物方面顯示出增強的代謝和毒理學表型，具有更高的靈敏度和特異性。
以具有肝毒性的乙酰氨基酚（APAP）為例，已知對APAP最敏感的生物標志物是肝臟芯片中的白蛋白。通過監測，APAP對肝芯片給藥后1天可觀察到白蛋白分泌減少，在第10天時白蛋白的分泌和細胞活力值并沒有隨著藥物劑量的升高而出現理想中的線性結果，即劑量依賴性降低。對APAP的代謝物做定量后發現，藥物治療時谷胱甘肽（GSH）會自發地通過谷胱甘肽－S－轉移酶與APAP發生酶促反應以形成APAP谷胱甘肽結合物（ APAP-GSH），肝臟芯片中代謝物的清除率增強可能會導致 APAP-GSH的低水平。此外，作者還對FIAU進行測定。這是一種具有抗病毒活性的核苷類似物，肝臟中對其敏感的生物標志物為白蛋白和miR-122。在肝芯片中給藥至第7天和第10天時觀察到劑量和時間依賴性減少，在第10天還出現了細胞活力的劑量依賴性降低，并且miR-122的釋放增加了1至5倍。
圖2 APAP 肝芯片中的APAP-GSH代謝物形成率注：在第0-1、2-3、6-7和9-10天收集肝芯片肝細胞通道樣品，用于通過LC-MS測定APAP-GSH代謝物。第10天的細胞活力由 ATP 耗竭決定，并且該譜覆蓋在代謝譜上。
由此，該實驗證明了這一體外模型在功能性藥物代謝以及細胞應激和細胞毒性生物標志物的釋放相關的指標與臨床數據大致相似，因此肝芯片可作為更好的評估藥物安全的體外實驗模型。
參考文獻：
1.Jang, K. J., Otieno, M. A., Ronxhi, J., Lim, H. K., Ewart, L., Kodella, K. R., Petropolis, D. B., Kulkarni, G., Rubins, J. E., Conegliano, D., Nawroth, J., Simic, D., Lam, W., Singer, M., Barale, E., Singh, B., Sonee, M., Streeter, A. J., Manthey, C., Jones, B., … Hamilton, G. A. (2019). Reproducing human and cross-species drug toxicities using a Liver-Chip. Science translational medicine, 11(517), eaax5516.
2. Foster, A. J., Chouhan, B., Regan, S. L., Rollison, H., Amberntsson, S., Andersson, L. C., Srivastava, A., Darnell, M., Cairns, J., Lazic, S. E., Jang, K. J., Petropolis, D. B., Kodella, K., Rubins, J. E., Williams, D., Hamilton, G. A., Ewart, L., & Morgan, P. (2019). Integrated in vitro models for hepatic safety and metabolism: evaluation of a human Liver-Chip and liver spheroid. Archives of toxicology, 93(4), 1021–1037.
Copyright(C) 1998-2025 生物器材網 電話：021-64166852;13621656896 E-mail：info@bio-equip.com