综述：呼吸系统疾病体外仿生模型的研究进展：肺类器官与肺芯片

这篇综述系统总结了肺类器官(LOs)和肺芯片(LOC)技术在呼吸系统疾病研究中的最新进展。文章详细阐述了这两种模型在感染性疾病、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、哮喘、肺纤维化(PF)和肺癌五大领域中的应用价值，重点突出了它们在模拟三维(3D)微环境、重现疾病病理特征和加速药物筛选方面的独特优势。作者团队来自解放军总医院等多个国内顶尖机构，通过整合干细胞分化、微流控系统和生物力学刺激等技术，为呼吸系统疾病研究提供了更接近人体生理状态的创新平台。

　　

引言

呼吸系统作为气体交换和维持内环境稳定的关键器官，正面临着日益严峻的全球健康挑战。随着人口老龄化加剧、空气污染恶化以及吸烟模式改变，慢性呼吸系统疾病和肺癌已成为全球非传染性疾病的主要负担。与此同时，COVID-19大流行凸显了呼吸道传染病的持续威胁。这些挑战迫切要求开发更精准的体外模型来推进疾病机制研究和药物开发。

传统二维(2D)细胞培养和动物模型存在明显局限性：前者缺乏三维微环境和细胞间相互作用，后者则受限于物种差异。2009年Clevers团队开创的3D肠类器官技术为器官研究树立了重要里程碑。在此基础上发展的肺类器官(LOs)和肺芯片(LOC)技术，通过结合干细胞分化、微流控系统和生物力学刺激，实现了对肺组织发育和病理过程的更精确模拟。

体外肺生理模型：从2D到3D，从静态到动态的范式转变

肺类器官技术的出现与演进

肺发育始于原始肠管腹侧前肠内胚层，初始肺芽在此形成。多能上皮祖细胞即"顶端祖细胞"位于这些芽的尖端，被间充质组织包围。通过分支形态发生，上皮细胞反复分支形成成熟肺特有的复杂树状结构。在此过程中，顶端祖细胞保持自我更新和增殖能力，同时分化为所有主要肺上皮细胞类型。

诱导多能干细胞(iPSCs)因其多向分化潜能，已成为生成LOs的重要来源。标准分化过程通常经历三个关键阶段：定型内胚层、前肠内胚层和NKX2-1⁺肺祖细胞。2015年Dye团队开创了将iPSCs分化为人类肺类器官和肺芽类器官的标志性方案，该方案使用Activin A诱导内胚层形成，结合TGF-β和BMP通路双重抑制，以及WNT、Shh和FGF4信号的协同激活。随后的研究不断优化培养方案，使LOs能够呈现更成熟的分支气道结构和早期肺泡形态。

除iPSCs外，成体干细胞也因其组织特异性和更可控的分化潜能而成为LOs的重要来源。2017年，Q团队使用成人支气管上皮细胞、肺成纤维细胞和微血管内皮细胞的3D共培养系统成功建立了气道类器官(AOs)。Gerli团队则证实了从人类羊水中分离的胎儿上皮干细胞可用于生成胎儿肺类器官(LFOs)，为先天性呼吸系统疾病研究提供了新工具。

肺类器官不仅要重现肺组织的细胞组成和组织结构特征，还需系统整合其生物力学特性以准确模拟体内发育环境。在发育过程中，肺上皮细胞持续暴露于各种机械信号，包括剪切应力、张应力和基质硬度，这些在肺分支形态发生和肺泡特化中起关键作用。近期研究已开始将生物力学线索整合到LOs培养系统中，如Liu团队开发的甲基丙烯酸明胶水凝胶系统，可探索外源基质硬度对肺发育的调控作用。

生物技术进步推动肺芯片发展

自2010年Hub团队开发出首个仿生多室LOC以来，该技术持续精进。该模型核心设计采用基于软光刻微加工技术制备的多孔PDMS膜分隔的双通道微流控系统。人类肺泡和肺微血管内皮细胞培养在膜两侧，上通道暴露于空气建立气液界面(ALI)培养，下通道持续灌注类血液流体，并施加周期性机械拉伸模拟呼吸运动。

后续研究探索了多种替代膜材料，包括羊皮纸、PLGA电纺纳米纤维膜和细胞外基质(ECM)等。Guenat团队开发的第二代LOC平台整合了胶原-弹性蛋白复合生物膜，更准确地再现了肺泡网络和基底膜的生物力学特性。Park团队则采用3D打印技术构建了复制气道上皮与血管网络功能界面的LOC，使用各种组织和器官脱细胞ECM作为生物墨水制备细胞负载构建体。

呼吸系统疾病特异性体外模型的构建与应用

呼吸道感染

LOC技术为模拟病原体入侵和研究宿主反应提供了独特优势。在COVID-19疫情期间，这些仿生平台因其能高保真复制SARS-CoV-2与宿主细胞相互作用而成为重要研究工具。Hashimoto团队开发的AOC模型显示，该病毒通过下调紧密连接蛋白Claudin-5(CLDN5)和损害钙黏素介导的粘附连接来破坏内皮屏障完整性。Han团队使用hPSCs衍生的LOs模拟SARS-CoV-2感染，单细胞RNA测序证实AT2细胞表达ACE2、TMPRSS2和FURIN等关键病毒进入因子。

Chen团队建立的hPSCs分化巨噬细胞与LOs共培养系统证明，M1和M2巨噬细胞均能抑制病毒复制，但只有M1巨噬细胞显著增加促炎细胞因子表达，促进肺细胞凋亡。值得注意的是，ACE2阻断抗体与增强M2巨噬细胞活性的联合治疗几乎消除了病毒存在并保护肺细胞免受损伤，为免疫靶向干预提供了新方向。

LOC技术也促进了流感病毒研究，显示在阿马