肺囊性纖維化（pulmonary cystic fibrosis，PCF）是一種遺傳性疾病，由編碼囊性纖維化跨膜傳導調節因子的基因突變引起，會產生氣道粘膜纖毛清除受損、肺炎以及呼吸功能障礙等癥狀。目前尚缺乏能夠完全模擬PCF患病組織細胞特性的體外實驗模型，而人肺氣道器官芯片模型則很好地填補了這一空缺，這里我們對應用人肺氣道芯片建立體外肺囊性纖維化模型的有效性進行總結。

圖1 人肺氣道芯片結構示意圖

 
一、患者組織來源的肺氣道芯片再現PCF的病理學特征：

本研究分別使用健康人和PCF患者的原代支氣管上皮細胞，構建了健康人和患者的肺氣道芯片。通過對不同標志性蛋白（如ß-tubulin、CK5、CC10、Muc5AC等）的染色檢測，可以看到上皮細胞特化為纖毛細胞、基底細胞、棒狀細胞和杯狀細胞；此外，PCF肺氣道芯片上皮層表面纖毛細胞覆蓋率明顯高于健康上皮層，且表現出更高的纖毛跳動頻率。同時，研究者對芯片通道中的收集液進行了Alcian藍染色以定量粘蛋白豐度，結果表明CF肺氣道芯片顯示出更豐富的粘蛋白積累。以上結果共同表明，CF肺氣道芯片再現了PCF患者氣道上皮的組織學特征。

圖2健康人芯片和PCF患者芯片的纖毛和粘蛋白比較

 
二、肺氣道芯片再現PCF的炎癥反應特征

接下來研究者觀察PCF肺氣道芯片的血管通道，發現與正常氣道芯片相比，炎癥因子含量IL-8顯著增加；向芯片的血管通道中加入多形核白細胞，觀察到與正常氣道芯片相比，CF芯片中多形核白細胞向內皮細胞的粘附效應增強，與PCF患者肺部免疫細胞浸潤增加的行為相似。這兩個現象表明，PCF氣道芯片能表現出與PCF相似的炎癥反應特征。

圖3健康人與PCF患者氣道芯片的炎癥反應表型比較

 
三、綠膿桿菌感染可引起CF肺氣道芯片產生與PCF相似的免疫炎癥反應

研究者將GFP標記的綠膿桿菌接種于芯片中，以模擬綠膿桿菌肺部感染。熒光密度定量結果顯示PCF芯片中的細菌數量更高、炎癥細胞因子（如IL-6、TNF-α和GM-CSF）分泌增加、綠膿桿菌感染處有更多的多形核白細胞募集。這與臨床上PCF患者肺部感染后炎癥反應特征類似。以上結果共同說明，PCF芯片能真實再現PCF氣道的結構和病理生理學特征尤其是炎癥反應相關的特征。

圖4 綠膿桿菌感染下的健康人和PCF患者芯片比較

 
研究結論

利用Emulate器官芯片這一體外培養體系，研究人員成功構建了來源于患者的PCF氣道芯片模型，該模型在體外表現出了與患者臨床癥狀極為相似的病理學表征，在經細菌感染后，PCF芯片亦能夠表現出與患者相似的病理特征，這說明人肺氣道芯片能應用于建立PCF模型以及后續藥物測試、機制探索等研究，有助于推進PCF發病機制和臨床治療手段的發展。

參考文獻：
1. Plebani R. et al. Modeling pulmonary cystic fibrosis in a human lung airway-on-a-chip. J Cyst Fibros 21, 2022. doi:10.1016/j.jcf.2021.10.004.