人类肺部芯片揭示了呼吸运动对肺部免疫反应的影响

众所周知，仅仅是呼吸的运动就可以影响肺部的重要功能，包括婴儿的发育、内表面空气交换增强液的产生以及健康组织结构的维持。现在，新的研究表明，这种持续的拉伸和放松模式的作用甚至更大——它能产生针对入侵病毒的免疫反应。

　　

研究组利用复制肺气囊(肺泡)结构和功能的人类肺芯片(Human Lung Chip)发现，利用模拟呼吸运动的机械力，激活保护性的先天免疫反应，抑制了流感病毒的复制。他们还发现了几种药物，可以减少受感染肺泡芯片中炎症细胞因子的产生，这可能有助于治疗肺部的过度炎症。基于这些研究，其中一种药物被许可给Cantex Pharmaceuticals，用于治疗COVID-19和其他炎症性肺病。该研究的数据最近被包括在该公司向FDA提交的临床试验新药(IND)申请中，以启动COVID-19的2期临床试验。

“这项研究说明了呼吸运动肺功能对人类的重要性,包括感染、免疫反应和表明人类肺泡芯片可用于模型这些反应在深的部分肺,感染更严重,导致住院和死亡,”该研究所Wyss技术开发研究员、共同第一作者白海青博士说。“这个模型也可以用于临床前药物测试，以确保候选药物实际上减少了人类功能性肺组织的感染和炎症。”研究结果发表在今天的《自然通讯》杂志上。

创建一个flu-on-a-chip

正如COVID-19大流行早期阶段痛苦地表明的那样，肺部是一个脆弱的器官，对感染的炎症反应可能会产生“细胞因子风暴”，可能会造成致命的后果。然而，肺也是非常复杂的，很难在实验室中复制其独特的特征。这种复杂性阻碍了科学对肺在细胞和组织水平上的功能的理解，无论是健康状态还是患病状态。

维斯研究所的人体器官芯片就是为了解决这个问题而开发的，并已被证明在实验室中可以忠实地复制包括肺在内的许多不同人体器官的功能。自2017年以来，作为NIH和DARPA资助的项目的一部分，维斯大学的研究人员一直致力于在肺气道和肺泡芯片中复制各种疾病，以研究肺组织如何对具有大流行潜力的呼吸道病毒做出反应，并测试潜在的治疗方法。

在攻读博士学位期间，白博士研究了影响肺部深处微小气囊的疾病，在这里氧气迅速转化为二氧化碳。该基金会为他应对在肺泡芯片中重现流感感染的挑战做了准备，这样团队就可以研究这些肺部深层空间是如何对病毒入侵者产生免疫反应的。

白和他的团队首先排列在两个平行的微流控芯片通道的一个器官具有不同类型的人类细胞,肺泡肺细胞上通道和肺血管细胞的通道——重建人类肺泡之间的接口及其blood-transporting毛细血管。为了模拟肺泡在人肺中的情况，肺泡细胞排列的通道中充满了空气，而血管通道则灌注了一种流动的培养基，其中含有通常通过血液输送的营养物质。这些通道被一层多孔膜隔开，让分子在它们之间流动。

Wyss研究所先前的研究已经证实，对肺泡芯片应用周期性拉伸来模仿呼吸动作会产生生物反应，模仿那些在体内观察到的反应。这是通过对靠近细胞管道的空腔进行吸力来实现的，有节奏地将肺组织拉伸和放松5%，这是人类肺部在每次呼吸时的典型体验。

当研究小组将H3N2流感病毒引入空气通道，使这些“呼吸”的肺泡芯片感染H3N2流感病毒时，他们观察到流感感染的几种已知特征的发展，包括细胞间接点的破坏，细胞死亡增加25%，以及细胞修复程序的启动。感染还导致血管通道中多种炎症细胞因子水平更高，包括III型干扰素(IFN-III)，这是一种针对病毒感染的天然防御，在体内流感感染研究中也被激活。

此外，受感染芯片的血管细胞表达了更高水平的粘附分子，这使得包括B细胞、T细胞和灌注介质中的单核细胞在内的免疫细胞能够附着在血管壁上，帮助对抗感染。这些结果证实肺泡芯片对H3N2产生了免疫反应，重现了感染流感病毒的人类患者肺部发生的情况。

注意你的呼吸

研究小组随后进行了相同的实验，但没有进行机械呼吸运动。令他们惊讶的是，暴露在呼吸运动中的芯片??与静态芯片相比，他们的肺泡通道中的病毒mRNA减少了50%，炎症细胞因子水平显著降低。遗传分析表明，机械拉伸激活了与免疫防御和多种抗病毒基因相关的分子途径，当周期性拉伸停止时，这些激活被逆转。

“这是我们最意想不到的发现——机械压力本身就可以在肺中产生先天免疫反应，”共同第一作者Si Longlong博士说，他曾是维斯科技发展研究员，现在是中国深圳先进技术研究所的教授。

科学家们知道，有时肺部承受的压力会超过5%，比如慢性阻塞性肺疾病(COPD)或当患者使用机械呼吸机时，他们将压力增加到10%，看看会发生什么。较高的菌株引起先天免疫反应基因和过程的增加，包括几种炎症细胞因子。

Si解释说:“因为更高的菌株水平导致更大的细胞因子的产生，这可能解释了为什么患有慢性阻塞性肺病(COPD)等肺部疾病的患者会遭受慢性炎症，以及为什么使用大容量呼吸机的患者有时会经历呼吸机诱导的肺损伤。”

从芯片到临床试验

然后，科学家们进一步比较了紧张和静止的肺泡芯片中细胞中的RNA分子，看看他们是否能确定呼吸运动是如何产生免疫反应的。他们鉴定了一种名为S100A7的钙结合蛋白，该蛋白在静态芯片中未被检测到，但在张力芯片中却高度表达，这表明它的产生是由机械拉伸诱导的。他们还发现S100A7表达的增加上调了许多与先天免疫反应有关的其他基因，包括多种炎症细胞因子。

S100A7是已知的几种与细胞膜上一种蛋白质结合的相关分子之一，这种蛋白质被称为晚期糖基化终末产物受体(RAGE)。RAGE在肺中比在人体其他器官中表达得更高，并被认为是几种肺部疾病的主要炎症介质。药物杜鹃花是一种已知的RAGE抑制剂，因此科学家们将杜鹃花通过过滤的肺泡芯片的血管通道灌注48小时，然后用H3N2病毒感染芯片。这种预处理防止了他们在未处理芯片中观察到的细胞因子风暴样反应。

基于这一有希望的结果，该团队随后用H3N2感染株肺泡芯片，并在感染后2小时给药阿兹利agon。这种方法显著阻止了炎症细胞因子的产生，当他们将抗病毒药物molnupiravir(最近被批准用于COVID-19患者)加入治疗方案时，这种效果进一步增强。

这些结果引起了Cantex制药公司的注意，该公司拥有阿兹利拉贡的专利权，并有意将其用于治疗炎症性疾病。部分基于Wyss团队在Alveolus芯片上的工作，Cantex于2022年初批准了azeliragon用于COVID-19和其他炎症性肺病的治疗。该药物在3期临床试验中表现出了良好的安全性，因此向美国食品药品监督管理局(FDA)申请了在COVID-19患者身上进行2期临床试验的许可，并计划在后续进行COPD、激素抵抗性哮喘等其他疾病的2期临床试验。

“多亏了维斯研究所科学家的伟大工作，我们现在有令人信服的证据表明，阿兹利拉贡可能有潜力以每天一次的药丸的形式预防严重的COVID-19疾病。我们很高兴有机会开展阿兹利拉贡治疗这种疾病的临床试验，寻求将这种开创性的治疗方法带给患者，以防止危及生命的炎症，这是住院和死亡的主要原因，”Cantex首席执行官Stephen Marcus博士说。

尽管阿兹利拉根是一种很有前途的抗炎药物，但科学家们警告说，还需要更多的研究来确定一种安全有效的人体治疗方案。在感染的早期阶段，RAGE在引发对抗病原体的有益炎症中起着至关重要的作用，过早地抑制它可能会阻止患者产生足够的免疫反应。

考虑到肺泡芯片相对于传统临床前模型的许多优势，Wyss团队正在探索将其他细胞类型(如巨噬细胞)纳入芯片，以增加其复杂性，并模拟更多的生物学过程，如适应性免疫。他们还利用现有的模型来研究新化合物、药物和生物制剂(如mRNA疗法)对流感、SARS-CoV-2和其他疾病的疗效。

“这篇重要的论文导致RAGE抑制剂在治疗炎症性肺病方面的前景被发现，这是最近Cantex批准阿扎利agon并将其用于COVID-19的人类临床试验的基础。我为这个团队感到非常自豪，这一科学发现如此迅速地转化为商业化，有望为患者带来挽救生命的治疗。这就是维斯研究所的宗旨。”唐纳德·因格贝尔说资深作者,医学博士,博士,谁是Wyss研究所的创始董事以及Judah Folkman血管生物学教授(HMS)和哈佛医学院波士顿儿童医院,和Hansjorg Wyss Bioinspired工程教授哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院。

该研究的其他作者包括Amanda Jiang, Chaitra Belgur, m.s.， Zhai Yunhao, Ph.D.， Melissa Rodas, and Aditya Patil and Girija Goyal，博士来自威斯研究所，以及前威斯研究所成员Roberto Plebani, Ph.D.， Crystal Oh, Atiq Nurani, m.s.， Sarah Gilpin, Rani Powers, ph . and Rachelle Prantil-Baun, Ph.D.。

这项研究由哈佛大学威斯生物启发工程研究所、美国国防高级研究计划局(DARPA)合作协议HR0011-20-2-0040、美国国立卫生研究院UG3-HL-141797和UH3-HL-141797资助。

Journal Reference:

1. Haiqing Bai, Longlong Si, Amanda Jiang, Chaitra Belgur, Yunhao Zhai, Roberto Plebani, Crystal Yuri Oh, Melissa Rodas, Aditya Patil, Atiq Nurani, Sarah E. Gilpin, Rani K. Powers, Girija Goyal, Rachelle Prantil-Baun, Donald E. Ingber. Mechanical control of innate immune responses against viral infection revealed in a human lung alveolus chip. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-29562-4