
评价从药物问题和所需功能开始
美国华盛顿大学(University of Washington)团队在 Clinical and Translational Science 综述微生理系统(microphysiological systems,MPS)在药物吸收、分布、代谢和排泄(absorption, distribution, metabolism and elimination,ADME)中的用途,重点比较肝、肾和肠道平台。
评价除细胞健康和组织形态,还要确认相应酶、转运蛋白和可测量的功能,才能回答具体药物问题。清除、药物相互作用和损伤机制所需能力各不相同。
作者以既有产业建议和监管资料为参照,检查公开文献报道了哪些功能。部分装置原本只用于特定机制或概念验证,因此平台之间的比较保留其开发目的。
肝平台分阶段确认健康、功能与药物反应
第一阶段关注肝细胞基础状态,包括持续产生白蛋白和尿素,以及维持药物代谢与转运相关基因表达。观察期间的稳定性决定能否开展长时间药物实验。
第二阶段转向功能:检测基础及诱导后的代谢能力、转运底物摄取和胆汁酸相关过程,并用细胞形态及蛋白定位支持这些结果。转录表达与真正药物转化分别提供证据。
第三阶段使用已知肝毒性药物和阴性参照,检查系统能否区分相应反应。反应性代谢物、胆汁酸与免疫过程涉及不同机制,药物集合要与模型实际具备的能力联系。
部分肝装置控制局部氧气水平,并加入内皮、库普弗细胞和星状细胞,以保留组织微环境。氧气分区与细胞组合可影响代谢和炎症,实际能力仍由相应功能测试确认。
综述介绍夹层培养、球状体、微图案共培养、肝芯片和类器官等路线。部分适合较高通量和有限指标,部分保留多细胞、氧气分区或连接其他组织,但需要更多培养和采样工作。
肾平台需要细胞极性和定向转运
肾单位不同区域具有不同的滤过、重吸收和分泌功能。2021 年综述指出,已发表系统大多重现某一段,近端肾小管是开发最充分的区域;单一装置未覆盖完整肾单位功能。
近端肾小管评价需要确认转运蛋白是否位于正确的细胞侧,以及底物是否沿相应方向移动。有机阴离子、有机阳离子和外排转运系统的表达、定位和活性分别检查。
葡萄糖和蛋白重吸收、损伤标志以及抑制剂反应,可补充一般细胞存活资料。灌流促进细胞极性和刷状缘,通道的血管侧与管腔侧还需能够分别采样。
肾小球平台另外评价滤过屏障,例如用白蛋白保留和菊粉通过检查选择性。支持滤过的人工膜和细胞形成的屏障,在解释时需要分别识别。
一项肝肾连接实例观察肝端对马兜铃酸的代谢如何改变后续肾毒性。它把母药转化与下游损伤放入同一研究流程,依赖两端细胞分别维持代谢和近端肾小管反应。
综述引用的独立转移测试显示,一种近端肾小管系统能够在其他实验室运行,较大的变异来自细胞来源。这项结果在相应平台的细胞来源和运行条件下取得。
肠道吸收还包含首过代谢
肠道平台需要屏障通透性,也需要药物进入循环前的代谢和转运。Caco-2 单层可用于吸收检测,相关代谢与转运谱却不能覆盖全部肠道功能。
综述将细胞色素 P450 3A4(cytochrome P450 3A4,CYP3A4)、羧酸酯酶和葡萄糖醛酸化等功能列为相应药物用途的参照,并讨论摄取与外排转运。咪达唑仑等底物可用于检查具体代谢路径,功能测量要与预期药物问题对应。
肠类器官或活检来源细胞可以增加细胞组成及代谢信息。类器官腔面难以接近,分散后形成芯片上皮可改善采样;不同格式并不都能直接测量跨上皮电阻。
肠肝连接使吸收后的母药和代谢物进入另一组织,肠肾组合则研究后续暴露及损伤。每个组件仍需要保留自身的屏障、酶和转运功能。
器官连接增加培养和验证约束
多器官系统需要兼顾细胞来源、培养液、各器官氧气供应、流动和采样。共用循环有助于交换药物与代谢物,也使组件之间的条件相互影响。
球状体培养可维持较长时间的肝功能,但局部组织区室不容易单独采样。多通道芯片增加不同侧面的获取方式,也引入流路、培养液混合和样本回收方面的要求。
原代细胞供应和供者差异限制一些平台。肾上皮细胞扩增后可能丢失近端肾小管特征,诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)分化则需要确认成熟程度;连接前的细胞质量会传递到整个系统。
作者提出,ADME 平台的持续进展依赖用途明确的性能标准、可靠细胞来源和可重复培养。判断系统能回答什么药物问题,应依据实际功能、药物参照与验证范围。