综述：微生理系统在共病研究中的应用：慢性肾病与骨关节炎

这篇综述系统阐述了微生理系统（MPS/器官芯片，OoC）技术在慢性肾病（CKD）与骨关节炎（OA）共病研究中的突破性进展，重点探讨了肾脏芯片与关节芯片的构建策略、病理模拟及多器官互联平台在揭示双向交互机制中的应用潜力，为开发个性化疗法提供了创新工具。

　　

引言

全球老龄化加剧导致慢性病共病负担激增，慢性肾病（CKD）和骨关节炎（OA）作为高发疾病，因共享炎症、代谢紊乱等风险因素而呈现复杂关联。传统动物模型难以模拟人类多器官交互机制，而微生理系统（MPS）通过整合人源细胞、生物工程支架和微流控技术，为共病研究提供了高仿生平台。本文以CKD-OA为例，探讨MPS如何革新共病研究范式。

肾脏微生理系统与慢性肾病

肾脏生理与CKD病理

肾脏通过肾单位（含肾小球和肾小管）完成滤过、重吸收及内分泌功能。CKD以肾单位进行性丧失为特征，伴随肾小球硬化、小管间质纤维化及钙磷代谢紊乱。尿毒症毒素（如硫酸吲哚酚）积累可加速全身器官损伤，而OA患者长期使用非甾体抗炎药（NSAIDs）可能加重肾损伤。

肾脏芯片模型进展

肾小球芯片：通过共培养足细胞与内皮细胞，结合多孔PDMS膜或微流控纺丝技术模拟滤过屏障。例如，Musah等利用iPSC来源足细胞构建的芯片可评估白蛋白（albumin）选择性通透性，但PDMS对蛋白的非特异性吸附仍是挑战。
肾小管芯片：采用胶原I支架或3D生物打印技术构建近端小管模型，整合流体剪切力（0.1–1 dyn cm^?2）以增强细胞极性。Lin团队通过挤出打印实现小管-血管共培养，成功模拟葡萄糖重吸收功能。
挑战：现有模型尚需纳入成纤维细胞、免疫细胞以模拟CKD纤维化微环境，并开发实时传感器监测尿素氮、炎症因子（IL-6、TNF-α）等指标。

关节微生理系统与骨关节炎

关节芯片设计

软骨芯片通过动态压缩（如30%应变）或IL-1β刺激模拟OA病理，表现为基质金属蛋白酶（MMP-13）上调及蛋白聚糖流失。Rothbauer开发的模块化芯片将滑膜与软骨类器官共培养，揭示IL-6介导的软骨降解。血管化滑膜芯片还成功模拟了单核细胞浸润过程。

OA建模策略

患者来源软骨组织或iPSC分化的软骨细胞是理想细胞源。近期研究在芯片中集成葡萄糖/乳酸传感器，实时监测代谢紊乱。未来需优化水凝胶力学性能（如甲基丙烯酸化明胶）以匹配关节负载需求。

多器官芯片系统与共病研究

MOoC通过血管化单元连接肾脏与关节模块，可研究CKD相关炎症因子（如TNF-α）如何通过循环系统加剧软骨分解，或OA源性IL-1β促进肾纤维化。现有肝-肾芯片已证明药物代谢的器官间影响，而未来CKD-OA模型需整合以下要素：

• 细胞层面：衰老细胞或患者原代细胞模拟老龄化背景
• 检测指标：MMP-13（OA）、白蛋白尿（CKD）、胶原沉积（纤维化）
• 技术整合：拉曼光谱实时监测生化变化，AI算法解析多组学数据

结论

MPS技术通过高度可控的微环境模拟，为揭示CKD-OA双向交互机制提供了不可替代的平台。未来需突破复杂血管/神经整合、长期培养稳定性等瓶颈，推动共病机制研究与精准医疗发展。