2022-05-07

Nat Comm | 机械运动的肺泡芯片揭示呼吸对先天免疫反应的作用

图灵基因 图灵基因 2022-05-07 07:03

收录于合集#前沿分子生物学技术

伴随呼吸的肺部不断伸展和放松的模式不仅仅是允许基本的肺部功能，它还能产生针对入侵病毒的免疫反应。一个研究小组利用复制肺泡结构和功能的人肺芯片发现，应用模拟呼吸运动的机械力可以通过激活保护性的先天免疫反应来抑制流感病毒的复制。他们还发现了几种药物，可以减少感染肺泡芯片中炎性细胞因子的产生，这可能有助于治疗肺部过度炎症。

“这项研究证明了呼吸运动对人类肺功能的重要性，包括对感染的免疫反应，并表明我们的人类肺泡芯片可用于模拟肺部深处的这些反应，那里的感染往往更严重，并导致住院治疗和死亡。”Wyss研究所技术开发研究员Haiqing Bai博士说，“该模型还可用于临床前药物测试，以确保候选药物确实能减少功能性人类肺组织中的感染和炎症。”

这项研究发表在《Nature Communications》上的一篇题为“Mechanical control of innate immune responses against viral infection revealed in a human lung alveolus chip”的论文中。

Bai在肺泡芯片中重建了流感感染，以便研究小组可以研究这些深肺空间如何产生针对病毒入侵者的免疫反应。Bai和他的团队首先在器官芯片的两个平行微流控通道中排列了不同类型的活人体细胞——上部通道中的肺泡细胞和下部通道中的肺血管细胞，以重建人体气囊与其血液输送毛细血管之间的界面。为了模拟肺泡在人肺中所经历的情况，将由肺泡细胞排列的通道充满空气，同时将血管通道灌注含有通常通过血液输送的营养物质的流动培养基。通道被一层多孔膜隔开，允许分子在通道之间流动。

当研究小组通过将病毒引入空气通道来用H3N2流感病毒感染肺泡芯片时，他们观察到流感感染的几个已知标志的发展，包括细胞间连接的破坏、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性细胞因子的水平高得多，包括III型干扰素（IFN-III），这是一种抵御病毒感染的天然防御措施，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，这使得灌注培养基中的包括B细胞、T细胞和单核细胞在内的免疫细胞能够附着在血管壁上，以帮助抵抗感染。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。

然后，研究小组在没有机械呼吸动作的情况下进行了同样的实验。令他们惊讶的是，与静态芯片相比，暴露于呼吸运动的芯片在其肺泡通道中的病毒mRNA减少了50%，炎症细胞因子水平显著降低。遗传分析表明，机械应变激活了与免疫防御和多个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。

“这是我们最出人意料的发现，单是机械应力就可以在肺部产生先天免疫反应。”前Wyss技术开发研究员、现为中国深圳先进技术研究院教授的Longlong Si博士说。

科学家们知道，有时肺部会承受超过5%的压力，例如慢性阻塞性肺病（COPD）或当患者使用机械呼吸机时，他们将压力增加到10%，以观察会发生什么。较高的菌株导致先天免疫反应基因和过程的增加，包括几种炎症细胞因子。

“由于更高的应变水平导致更多的细胞因子产生，这可能解释了为什么患有慢性阻塞性肺病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出现呼吸机引起的肺损伤。”Si解释说。

然后，科学家们进一步比较了应变和静态肺泡芯片中细胞中的RNA，以确定呼吸运动是如何产生免疫反应的。他们发现了一种钙结合蛋白S100A7，该蛋白在静态芯片中未检测到，但在应变芯片中高度表达，表明其产生是由机械拉伸诱导的。他们还发现，S100A7表达的增加上调了与先天性免疫反应有关的许多其他基因，包括多种炎性细胞因子。

S100A7是已知与细胞膜上一种叫做晚期糖基化终产物受体（RAGE）的蛋白质结合的几种相关分子之一。RAGE在肺中的表达比在人体任何其他器官中的表达更高，并且被认为是几种肺部疾病的主要炎症介质。药物azeliragon是一种已知的RAGE抑制剂，因此科学家们通过应变肺泡芯片的血管通道灌注azeliragon 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经处理的芯片中观察到的细胞因子风暴样反应。

基于这一结果，研究小组随后用H3N2感染应变肺泡芯片，并在感染后两小时以治疗剂量给药azeliragon。这种方法显著阻断了炎性细胞因子的产生，当他们将抗病毒药物molnupiravir（最近被批准用于COVID-19患者）添加到治疗方案中时，这种效果进一步增强。

这些结果引起了Cantex Pharmaceuticals的注意，该公司拥有azeliragon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 Chips方面的工作，Cantex于2022年初授权azeliragon用于治疗COVID-19和其他炎症性肺病。鉴于该药物在之前的III期临床试验中良好的安全记录，该公司已申请FDA批准在COVID-19患者中开始II期试验，并计划随后针对包括COPD和激素抵抗性哮喘在内的其他疾病进行额外的II期试验。