各器官分别培养,再让培养液依次经过

药物在一个器官中的转化,会改变下游组织实际接触的物质。2017 年发表于 Scientific Reports 的多机构研究,用分步转移培养液的方式连接人源微生理模型,观察吸收、代谢、转运与功能反应。

一组实验先经过肠道模型,再进入肝脏,随后分别接受肾近端小管或血脑屏障模型处理;另一组连接肝细胞与骨骼肌。5 类器官以不同模块参与实验,由各机构培养后按顺序转移培养液。

肠道单层来自 2 名供者的空肠类器官。肝模型含肝细胞和多类支持细胞,肾模型使用人原代近端小管上皮。血脑屏障含脑微血管内皮、星形胶质细胞和周细胞,再加入人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSCs)分化的神经细胞;骨骼肌模块为人源肌束。

特非那定经过肠肝后,成分继续改变

研究以特非那定及其代谢物非索非那定追踪模块之间的转移。药物先通过肠道单层,再接受肝模型处理,随后把培养液分送肾和血脑屏障。每一步以质谱检测原药与代谢物,记录下游实际接触的成分。

在这一条件下,经过肝脏处理的培养液以非索非那定为主。肾模型小管侧检出较低水平的非索非那定,血脑屏障神经侧则低于检测限。相邻模块的输出和输入分别测量,让原药减少与代谢物转移能够沿顺序比较。

肝脏处理减轻了特非那定对肌束的影响

另一个实验先让 10 μM 特非那定与静态肝细胞培养 96 小时,再将处理后的培养液作用于人骨骼肌束 24 小时。未经肝细胞处理的药物显著降低肌束单收缩及强直收缩力;经过肝细胞处理后,肌束的反应接近溶剂参照。

该比较使用 1 名供者的肌肉细胞,包含 3 个样本。结合培养液质谱结果和肌束收缩测量,作者认为肝脏代谢减轻了特非那定对下游肌肉的影响。实验同时显示,直接把原药加入目标组织,与先经过代谢模块后加入,会得到不同功能结果。

人源肌束直接接触特非那定或接触肝细胞处理后的培养液,其单收缩和强直收缩力比较。

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人源肌束直接接触特非那定或接触肝细胞处理后的培养液,其单收缩和强直收缩力比较。(Lawrence Vernetti et al. / Scientific Reports, 2017, Figure 4;CC BY 4.0)

三甲胺与维生素 D 的转运和代谢

研究还观察了三甲胺经肝脏转化为氧化三甲胺,以及维生素 D 在肠、肝、肾模块中的变化。肝脏生成了维生素 D 的 25-羟基形式,但肾模块没有检出预期的活性代谢物。

维生素 D 在装置中的回收率受材料与载体条件影响。加入维生素 D 结合蛋白后,回收率提高,说明检测药物转化时还要测量装置中能够回收的物质量。载体改善回收与代谢物生成分别报告。

分步组合模型,检验器官间的药物影响

这种顺序转移便于把不同机构已有的器官模型组合起来,以每一步的实测成分作为下游输入。本文的转移过程需要按培养液兼容性进行稀释,也没有连续循环或人体器官比例换算。其主要用途是比较器官转化对后续组织暴露和功能的影响。

来源与延伸阅读

  1. Functional Coupling of Human Microphysiology Systems: Intestine, Liver, Kidney Proximal Tubule, Blood-Brain Barrier and Skeletal Muscle Scientific Reports. 2017. doi:10.1038/srep42296 ↗