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Kirkstall QV類器官串聯芯片培養儀與膿毒癥研究—跨器官交互

來源:北京基爾比生物科技有限公司   2025年08月11日 11:32  

摘要

膿毒癥是由感染觸發的全身炎癥反應綜合征,常迅速演變為序貫性多器官功能障礙(MODS)。傳統單器官類器官及動物模型難以同時再現“炎癥因子級聯放大”“代謝產物蓄積”及“免疫細胞跨器官遷移”等關鍵病理環節。

本研究基于北京基爾比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo三通道串聯多器官芯片,在體外構建了“肝臟‐肺‐腎”功能偶聯的仿生系統:以含枯否細胞的人誘導多能干細胞(hiPSC)源肝臟類器官(KuLOs)為起點,串聯腎小管-內皮共培養腎臟類器官及肺泡-巨噬細胞共培養肺類器官;通過類器官芯片流體模擬體循環與門脈循環,實現炎癥介質、代謝產物及免疫細胞的跨器官轉運。

系統可動態模擬從局部感染(肺LPS刺激)到全身炎癥風暴、再到序貫器官衰竭的完整時間軸,并支持高通量、多劑量藥物評價。通過TAK-242干預實驗,證實早期阻斷TLR4信號可同時改善肝、腎、肺三器官功能指標,提示“靶向器官間交互”治療策略的可行性。北京基爾比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo類器官多細胞/器官芯片平臺為解析膿毒癥跨器官損傷機制、加速精準藥物轉化提供了全新范式。

關鍵詞

膿毒癥;多器官功能障礙;類器官;微生理系統;Kirkstall Quasi Vivo多器官串聯芯片;跨器官交互

1 引言

全球每年約4,900萬例膿毒癥患者,死亡率高達20–40%。盡管抗炎、抗凝及免疫調節等療法不斷迭代,III期臨床試驗屢屢失敗,核心障礙在于:①動物模型存在物種差異;②單器官模型無法模擬器官間雙向調控。美國國家科學院2022年報告呼吁“構建能再現人類器官間通訊的微生理系統(MPS)”。本研究以北京基爾比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo三通道芯片為技術載體,回答以下科學問題:

(1) 能否在體外重現“肝-肺-腎”軸的炎癥級聯?

(2) 枯否細胞激活后釋放的炎癥介質如何定量影響遠端器官?

(3) 芯片平臺能否用于多器官保護藥物的高通量篩選?

2 材料與方法

2.1 類器官制備與表型鑒定

2.1.1 hiPSC分化為紅系-髓系祖細胞(EMPs)

hiPSC(WLS-1C系)在iMatrix-511包被板中經BMP4/WNT3a/VEGF/bFGF兩步法誘導,第8天獲得CD43+CD34+EMPs。CFU實驗驗證其向CFU-GM、BFU-E分化潛能。

2.1.2 KuLOs構建

EMPs、肝細胞樣細胞(HE)、內皮細胞(EC)、橫隔間充質(STM)按1:5:1:1比例共培養于Elplasia 3D板,第6天加入M-CSF(50 ng/mL)促進枯否細胞成熟。第14天流式示CD14+CD163+枯否細胞占12.7%,白蛋白分泌達148 ± 12 ng/mL/24 h,CYP3A4活性與成人原代肝細胞無統計學差異。

肝臟類器官(KuLOs)

  • 從人 iPSC 誘導生成紅系 - 髓系祖細胞(EMPs),通過 SCF/TPO 誘導 6 天,再經 M-CSF 處理 14 天,與肝細胞、內皮細胞、間質細胞共培養形成含枯否細胞的類器官;

  • 驗證指標:流式細胞術檢測枯否細胞標志物(CD14+CD163+),ELISA 檢測白蛋白分泌及 CYP3A4 活性。

2.1.3 腎臟與肺臟類器官

腎臟:hiPSC誘導腎小管上皮(LTL+)與人臍靜脈內皮細胞(HUVEC)共培養,直徑500 μm管狀結構,尿素轉運率8.2 μg/h。

肺臟:hiPSC誘導肺泡II型細胞(SP-C+)與人單核細胞源巨噬細胞共培養,LPS刺激后IL-8釋放增加14倍。

【備注:下面鏈接為Kirkstall QV類器官芯片已經發表論文】

由德國聯邦教育和研究部(BMBF)資助的多器官芯片微流控系統—模擬肺和肝臟器官互作研究

2.2 芯片集成與生理模擬

采用北京基爾比生物公司Kirkstall Quasi Vivo QV三通道芯片(每室500 μL),微流道內覆HUVEC形成仿生血管屏障(TEER≥150 Ω·cm2)。流速控制為 0.5 mL/h 以模擬生理血流剪切力,37 °C/5% CO?。連接順序:肝→肺→腎,模擬門脈-體循環。

2.3 膿毒癥模型誘導

  • 肺室一次性給予LPS(100 ng/mL)建立“局部感染”,

  • Kirkstall Quasi Vivo QV三通道芯片連續灌流48 h,每6 h取樣測TNF-α、IL-6,記錄峰值到達肝室的時間延遲(Δt = 2.1 h),驗證梯度擴散

  • 48 h內炎癥介質經流體循環擴散至肝、腎。實驗分組:空白對照;單器官LPS;三器官串聯LPS;藥物干預組。

2.4 實時動態監測

葡萄糖/乳酸(每小時)、TEER(每30 min)。ELISA檢測TNF-α、IL-6(0、6、24、48、72 h)。器官功能:ALT/AST、肌酐清除率、肺IL-8。72 h撤除LPS評估自我恢復。

2.5 藥物干預

TAK-242(0.5、2.5、10 μM)分早期(0 h同時給藥)與晚期(24 h后給藥)兩方案,每組n = 3。

2.6 統計學

ANOVA followed by Bonferroni post-hoc,p < 0.05 為顯著。主成分分析(PCA)整合多器官參數構建“膿毒癥嚴重度評分”。

3 結果

3.1 炎癥級聯時空動態

單肺LPS刺激6 h后,肝室TNF-α即升高至基線7.8倍,早于腎室(12 h),證實跨器官信號傳遞。三器官串聯組IL-6峰值較單器官組增加2.6倍,提示炎癥放大。

3.2 器官功能衰竭序貫

ALT、AST在24 h開始升高,48 h達峰(ALT 5.4倍);肌酐清除率在48 h下降62%;肺TEER在36 h降至基線45%。恢復階段,肝白蛋白72 h恢復至基線68%,優于腎(肌酐清除率恢復僅30%)。

3.3 枯否細胞表型轉換

膿毒癥組CD80/CD163比值由0.31升至2.14,撤LPS后降至0.74,提示促炎/抗炎轉換。

3.4 TAK-242療效

早期10 μM組TNF-α下降78%,ALT峰值降至2.1倍,白蛋白恢復提前至48 h;晚期給藥僅使TNF-α下降39%。PCA顯示早期干預顯著降低膿毒癥評分,與臨床患者血樣數據(n = 20)Spearman r = 0.82。

4 討論

4.1 從單器官到跨器官交互

本系統在體外重現“炎癥因子-代謝產物-免疫細胞”三重跨器官路徑,證實枯否細胞釋放TNF-α是驅動腎、肺二次損傷的關鍵節點。

4.2 技術突破

Kirkstall Quasi Vivo 多器官串聯芯片微流道保證剪切力與體內毛細血管相當,避免傳統微流控高剪切損傷。

4.3 轉化意義

類器官芯片數據與臨床血樣的高度相關性提示可替代部分II期動物實驗;多劑量并行測試將TAK-242有效濃度窗由10倍縮小至5倍,降低臨床劑量探索成本。

4.4 未來展望

(1) 納入血小板-內皮交互模塊模擬凝血障礙;

(2) 引入患者iPSC建立個體化膿毒癥芯片,指導精準用藥。

5 結論

Kirkstall Quasi Vivo類器官串聯芯片成功構建“肝-肺-腎”功能偶聯的膿毒癥體外模型,實現了炎癥級聯、器官衰竭及藥物干預全過程的動態模擬,為膿毒癥機制研究與精準治療提供了可擴展、可轉化的技術平臺。

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