微流控通道内两侧流体将中央绿色流体收束为细流。
微流控通道内两侧流体将中央绿色流体收束为细流。(Ihor Panas / Wikimedia Commons;CC BY 4.0)

连接方式决定组织怎样交换药物和信号

美国康奈尔大学(Cornell University)及中佛罗里达大学(University of Central Florida)等团队在 Advanced Healthcare Materials 综述多器官微生理系统。文章按连接方式比较平台,并讨论它们怎样用于药物代谢、药效与安全性评价。

静态系统依靠共享培养液中的扩散或细胞接触。Transwell 可分开屏障两侧,便于测量药物通过组织的过程;小孔嵌在大孔内的结构则允许各组织先独立培养,再通过上层共同培养液连接。

静态连接操作较简单,但组织间交换的方向和速度较难控制。微通道还可建立局部梯度,用于引导神经突起或细胞运动;这类空间联系与模拟全身循环具有不同用途。

单向灌流和循环连接提供不同暴露条件

单向灌流让药物及代谢物依次进入下游组织,便于考察肝代谢后对另一组织的作用。没有返回上游的通路时,下游反馈不能进入同一循环。

肠道屏障需要分别管理顶端侧和基底侧。文中肠—肝—肿瘤案例设独立流路,从肠道侧给药,并同时测量两侧浓度,再观察吸收和代谢后的抗癌作用。

不同实验室也可分别构建组织,再按生理顺序转移流出液,形成“功能连接”。这种方式保留单器官的独立培养条件,但运输和中间操作会延长过程,短寿命代谢物或信号可能受影响。

循环系统用于持续交换药物和组织产物。综述在设计讨论中强调,应把流动顺序、各组织灌流与细胞量对应起来,实际共同循环的配置需要按药物问题选择。

肝代谢可改变其他组织的毒性与药效

肝—心案例以人原代肝细胞和人诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC)来源心肌细胞,测试卡培他滨和对乙酰氨基酚。前药经肝细胞转化后,心肌细胞的死亡增加;对乙酰氨基酚则主要改变肝脏指标,心脏反应较小。相连组织提供了代谢前后作用的比较。

肝—肾案例使用异环磷酰胺。HepaRG 肝细胞与 Madin–Darby 犬肾细胞(Madin–Darby canine kidney,MDCK)连接时,肾细胞的增殖受抑;使用 HepG2/C3A 肝细胞的组合没有同样结果,作者将差异与两种肝模型的代谢酶表达联系起来。

肝—肿瘤模型还用于前药活化与抗癌测试。综述中的环磷酰胺、替加氟及相关组合,把肝转化与肿瘤生长抑制放在同一体系;部分系统再加入心肌或骨髓模型,同时观察非肿瘤组织反应。

这些例子采用不同的人源细胞、细胞系或动物细胞,具体生物来源影响代谢与反应。综述按各平台的实际材料介绍结果,药效和非目标组织毒性也分别测量。

屏障、积累和清除分别补充药代过程

口服药研究需同时考虑肠吸收与首过代谢。综述中的肠肝平台比较屏障两侧和肝组织中的药物,加入更多组织后,再评价进入循环的活性产物能否产生相应作用。

血脑屏障案例中,特非那定经肠肝模型转化为非索非那定,后者没有穿过该屏障模型。分别检测药物与代谢物,有助于判断进入下游组织的具体分子。

脂肪组织可成为药物的储库,改变其他组织的浓度。肾模块则用于模拟排出;有的模型采用透析膜,有的采用人近端小管与内皮组织,两种设计提供的生物信息不同。

共同培养液应同时维持功能和代谢物浓度

不同组织需要不同营养、生长因子和基质。综述介绍先独立成熟、再连接培养的模块化安排,也比较采用肝培养液、混合培养液或局部释放生长因子的办法。

血清及来源复杂的基质会增加批次差异。成分明确的无血清培养液有助于比较重复试验,但还需确认每个组织的分泌、电活动或收缩等功能能否维持。

药物还可能被芯片或管路吸附、吸收。材料和液体接触面积影响实际暴露,即使更换材料或减少外接管路,也需要测量所测试药物的损失。

局部和整个系统的液体量需要分别缩放

过多培养液会稀释代谢物和可溶信号,使下游组织接触的浓度降低。综述把单个器官周围的液体与细胞比例、整个系统的液体与细胞比例分别比较。

微流控平台使局部液体与细胞比例明显下降,但系统总液体还受到储液器和连接结构影响。文中的历史平台比较显示,局部比例改善幅度大于整体比例,部分系统仍远高于人体参照。

文中比较的微流控模型,其局部液体与细胞比例中位数约为宏观模型的 1/100、静态微尺度模型的 1/15;整体系统比例则仅降至宏观或静态微尺度模型的约 1/3–1/4。局部腔室缩小后,储液器、气泡捕集器及连接管路仍可占用较多液体。

另一组 Transwell 循环模型从 2 个器官增加至 4 个器官时,整体液体与细胞比例接近原来的 4 倍。作者据此指出,应同时管理组织周围的液体量和循环总量,维持下游组织接触的代谢物浓度。

增加器官数量时,需要同时处理供氧、流动和稀释,并确认各组织的功能与实际暴露。

来源与延伸阅读

  1. Multiorgan Microphysiological Systems for Drug Development: Strategies, Advances, and Challenges. Advanced Healthcare Materials. 2017. doi:10.1002/adhm.201701000 ↗