患者筛查和突破性疗法的进步使囊性纤维化(CF)患者现在可以活到30多岁或40多岁中后期，有时甚至更长。然而，即使约90%的患有最常见CFTR突变(称为ΔF508)的患者(取决于大陆)可以使用现有药物进行治疗，但仍然受到粘液中细菌的困扰，从而导致肺部炎症。感染和炎症的反复发作，以及感染之间的慢性低度炎症，会逐渐削弱患者的气道并留下疤痕，最终导致他们的呼吸系统衰竭。对于剩下约10%的患有各种其他CFTR突变的患者，目前尚无针对性的治疗方法。
现在，哈佛大学维斯生物工程研究所的一个多学科研究小组开发了一种微流控器官芯片设备，其大小如USB记忆棒，与迄今为止的其他体外系统相比，它能够更准确地重现CF患者的关键病理特征。该模型复制了CF疾病多个特征的特异性变化，包括气道粘液层、输送粘液的纤毛的跳动、病原体生长、炎症分子和白细胞的募集，为该疾病提供了全面的临床前人体模型。来研究新的CF疗法。这项新研究的结果最近发表在《囊性纤维化杂志》上，题为“在人类肺气道芯片上模拟肺囊性纤维化。”
“现在我们能够在人类气道芯片中准确地模拟CF病理学，包括微生物组和炎症反应，我们有办法应对对CF患者重要的挑战，”高级研究作者、医学博士、博士、创始人DonaldIngber解释道。维斯研究所所长。“这种先进的体外模型的捆绑功能可以帮助加速寻找可以抑制患者过度免疫反应的药物，用更个性化的疗法治疗他们，并帮助解决CF患者每天面临的现有药物无法解决的问题。治疗。”
为了模拟和比较血管化CF气道的微观结构和功能，作者在空气下微流体装置的两个平行运行的中空通道之一中培养了从人类CF患者或健康个体获得的肺气道细胞，重现了肺部的空气输送环境。在通过多孔膜与第一个通道隔开的第二个通道中，他们用灌注了血液替代介质的人肺微血管细胞重建了人体血管。
“第一个CF气道的微生理学模型与我们从CF患者气道中了解到的情况非常相似。它保持了所有相关细胞类型的典型组成，形成了更厚的粘液层，并且与用健康个体的气道细胞创建的气道芯片相比，其纤毛细胞表现出更高密度的纤毛，其跳动频率更高，”共同第一作者说以及Ingber团队的前博士后RatnakarPotla博士。“重要的是，这些病理变化伴随着CF模型支气管上皮炎症反应的增强，这与在CF患者中观察到的情况非常相似。”Potla现在是基因泰克-罗氏公司复杂体外系统的高级科学家。
在培养气道芯片两周后，研究人员测量了从气道芯片血管通道流出的促炎因子和抗炎因子的水平，这些因子已知参与CF患者肺部的炎症反应。除其他变化外，与对照气道芯片相比，CF芯片中促炎细胞因子IL-8的水平有所增加。有趣的是，IL-8因其吸引白细胞(中性粒细胞)的能力而闻名，这种白细胞也会导致CF患者肺部炎症。
当研究人员实际让人类中性粒细胞流过CF气道芯片的血管通道时，他们观察到更多的免疫细胞自发地粘附在血管细胞表面，通过血管细胞层和多孔膜挤压自身，并在血管细胞中积累。气道的气道上皮细胞层——概括了一个称为“”的过程。
但是，模拟CF的气道组织不仅刺激了免疫细胞的募集，而且还支持了铜绿假单胞菌的生长，这种细菌存在于正常肺部的微生物组中，但可能会生长失控并导致人类CF中的肺部感染患者。将荧光标记的铜绿假单胞菌引入用CF患者的支气管上皮细胞制作的芯片的气道通道24小时后，研究小组在CF特异性粘液中检测到的病原体数量比健康气道芯片中的粘液要高。。结果，促炎细胞因子的水平进一步升高，从而复制了CF患者中看到的感染-炎症循环。
下一步，该团队将通过生成从同一患者获得支气管上皮、血管内皮和免疫细胞的版本，进一步个性化他们的CF肺气道芯片。“在这项概念验证研究中，我们仅使用来自携带频繁ΔF508CFTR突变的患者的CF特异性支气管气道细胞。但不同的CFTR突变也可能影响内皮细胞和免疫细胞的功能，并且其效果也不同。”共同第一作者、意大利基耶蒂-佩斯卡拉大学客座教授RobertoPlebani博士总结道。“通过使用来自具有不同突变的患者的细胞开发一组患者特异性气道芯片，并通过直接测量芯片上不同受损的CFTR离子通道的活性、药物反应、
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