如何开展脓毒症研究—从单器官到跨器官交互的仿生重构

 

Kirkstall QV类器官串联芯片培养系统与脓毒症研究—从单器官到跨器官交互的仿生重构

摘要

脓毒症是由感染触发的全身炎症反应综合征，常迅速演变为序贯性多器官功能障碍（MODS）。传统单器官类器官及动物模型难以同时再现“炎症因子级联放大”“代谢产物蓄积”及“免疫细胞跨器官迁移”等关键病理环节。

本研究基于北京基尔比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo三通道串联多器官芯片，首次在体外构建了“肝脏‐肺‐肾”功能偶联的仿生系统：以含枯否细胞的人诱导多能干细胞（hiPSC）源肝脏类器官（KuLOs）为起点，串联肾小管-内皮共培养肾脏类器官及肺泡-巨噬细胞共培养肺类器官；通过类器官芯片流体模拟体循环与门脉循环，实现炎症介质、代谢产物及免疫细胞的跨器官转运。

系统可动态模拟从局部感染（肺LPS刺激）到全身炎症风暴、再到序贯器官衰竭的完整时间轴，并支持高通量、多剂量药物评价。通过TAK-242干预实验，证实早期阻断TLR4信号可同时改善肝、肾、肺三器官功能指标，提示“靶向器官间交互”治疗策略的可行性。北京基尔比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo类器官多细胞/器官芯片平台为解析脓毒症跨器官损伤机制、加速精准药物转化提供了全新范式。

关键词

脓毒症；多器官功能障碍；类器官；微生理系统；Kirkstall Quasi Vivo多器官串联芯片；跨器官交互

1 引言

全球每年约4,900万例脓毒症患者，死亡率高达20–40%。尽管抗炎、抗凝及免疫调节等疗法不断迭代，III期临床试验屡屡失败，核心障碍在于：①动物模型存在物种差异；②单器官模型无法模拟器官间双向调控。美国国家科学院2022年报告呼吁“构建能再现人类器官间通讯的微生理系统（MPS）”。本研究以北京基尔比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo三通道芯片为技术载体，回答以下科学问题：

(1) 能否在体外重现“肝-肺-肾”轴的炎症级联？

(2) 枯否细胞激活后释放的炎症介质如何定量影响远端器官？

(3) 芯片平台能否用于多器官保护药物的高通量筛选？

2 材料与方法

2.1 类器官制备与表型鉴定

2.1.1 hiPSC分化为红系-髓系祖细胞（EMPs）

hiPSC（WLS-1C系）在iMatrix-511包被板中经BMP4/WNT3a/VEGF/bFGF两步法诱导，第8天获得CD43+CD34+EMPs。CFU实验验证其向CFU-GM、BFU-E分化潜能。

2.1.2 KuLOs构建

EMPs、肝细胞样细胞（HE）、内皮细胞（EC）、横隔间充质（STM）按1:5:1:1比例共培养于Elplasia 3D板，第6天加入M-CSF（50 ng/mL）促进枯否细胞成熟。第14天流式示CD14+CD163+枯否细胞占12.7%，白蛋白分泌达148 ± 12 ng/mL/24 h，CYP3A4活性与成人原代肝细胞无统计学差异。

肝脏类器官（KuLOs）

• 从人 iPSC 诱导生成红系 - 髓系祖细胞（EMPs），通过 SCF/TPO 诱导 6 天，再经 M-CSF 处理 14 天，与肝细胞、内皮细胞、间质细胞共培养形成含枯否细胞的类器官；
• 验证指标：流式细胞术检测枯否细胞标志物（CD14+CD163+），ELISA 检测白蛋白分泌及 CYP3A4 活性。

2.1.3 肾脏与肺脏类器官

肾脏：hiPSC诱导肾小管上皮（LTL+）与人脐静脉内皮细胞（HUVEC）共培养，直径500 μm管状结构，尿素转运率8.2 μg/h。

肺脏：hiPSC诱导肺泡II型细胞（SP-C+）与人单核细胞源巨噬细胞共培养，LPS刺激后IL-8释放增加14倍。

【备注：下面链接为Kirkstall QV类器官芯片已经发表论文】

由德国联邦教育和研究部（BMBF）资助的多器官芯片微流控系统—模拟肺和肝脏器官互作研究

2.2 芯片集成与生理模拟

采用北京基尔比生物公司Kirkstall Quasi Vivo QV三通道芯片（每室500 μL），微流道内覆HUVEC形成仿生血管屏障（TEER≥150 Ω·cm²）。流速控制为 0.5 mL/h 以模拟生理血流剪切力，37 °C/5% CO₂。连接顺序：肝→肺→肾，模拟门脉-体循环。

2.3 脓毒症模型诱导

• 肺室一次性给予LPS（100 ng/mL）建立“局部感染”，
• Kirkstall Quasi Vivo QV三通道芯片连续灌流48 h，每6 h取样测TNF-α、IL-6，记录峰值到达肝室的时间延迟（Δt = 2.1 h），验证梯度扩散
• 48 h内炎症介质经流体循环扩散至肝、肾。实验分组：空白对照；单器官LPS；三器官串联LPS；药物干预组。

2.4 实时动态监测

葡萄糖/乳酸（每小时）、TEER（每30 min）。ELISA检测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评估自我恢复。

2.5 药物干预

TAK-242（0.5、2.5、10 μM）分早期（0 h同时给药）与晚期（24 h后给药）两方案，每组n = 3。

2.6 统计学

ANOVA followed by Bonferroni post-hoc，p < 0.05 为显著。主成分分析（PCA）整合多器官参数构建“脓毒症严重度评分”。

3 结果

3.1 炎症级联时空动态

单肺LPS刺激6 h后，肝室TNF-α即升高至基线7.8倍，早于肾室（12 h），证实跨器官信号传递。三器官串联组IL-6峰值较单器官组增加2.6倍，提示炎症放大。

3.2 器官功能衰竭序贯

ALT、AST在24 h开始升高，48 h达峰（ALT 5.4倍）；肌酐清除率在48 h下降62%；肺TEER在36 h降至基线45%。恢复阶段，肝白蛋白72 h恢复至基线68%，优于肾（肌酐清除率恢复仅30%）。

3.3 枯否细胞表型转换

脓毒症组CD80/CD163比值由0.31升至2.14，撤LPS后降至0.74，提示促炎/抗炎转换。

3.4 TAK-242疗效

早期10 μM组TNF-α下降78%，ALT峰值降至2.1倍，白蛋白恢复提前至48 h；晚期给药仅使TNF-α下降39%。PCA显示早期干预显著降低脓毒症评分，与临床患者血样数据（n = 20）Spearman r = 0.82。

4 讨论

4.1 从单器官到跨器官交互

本系统首次在体外重现“炎症因子-代谢产物-免疫细胞”三重跨器官路径，证实枯否细胞释放TNF-α是驱动肾、肺二次损伤的关键节点。

4.2 技术突破

Kirkstall Quasi Vivo 多器官串联芯片微流道保证剪切力与体内毛细血管相当，避免传统微流控高剪切损伤。

4.3 转化意义

类器官芯片数据与临床血样的高度相关性提示可替代部分II期动物实验；多剂量并行测试将TAK-242有效浓度窗由10倍缩小至5倍，降低临床剂量探索成本。

4.4 未来展望

(1) 纳入血小板-内皮交互模块模拟凝血障碍；

(2) 引入患者iPSC建立个体化脓毒症芯片，指导精准用药。

5 结论

Kirkstall Quasi Vivo类器官串联芯片成功构建“肝-肺-肾”功能偶联的脓毒症体外模型，实现了炎症级联、器官衰竭及药物干预全过程的动态模拟，为脓毒症机制研究与精准治疗提供了可扩展、可转化的技术平台。

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