先进肺类器官构建策略与呼吸系统疾病建模进展
Hyebin Joo, Sungjin Min, Seung-Woo Cho | J Tissue Eng. 2024 | 10.1177/20417314241232502
标签: #肺类器官 #微流控芯片 #脱细胞基质 #气液界面 #呼吸道疾病建模 #3D生物打印
一、本文综述了什么 📚
综述背景：传统2D细胞系缺乏组织空间异质性，动物模型存在种属屏障且通量受限。肺类器官虽能重建三维微结构，但在细胞组成复杂性、上皮成熟度及血管-免疫互作方面仍与天然肺组织存在显著差距。该领域亟需系统梳理多细胞共培养策略与工程化培养平台的整合路径，以突破现有体外模型的生理保真度瓶颈。
覆盖范围：
- 时间跨度：聚焦2014-2024年间肺类器官技术迭代与疾病建模应用
- 主题范围：涵盖ASC/PSC分化路径、内皮/间质/免疫微环境构建、ALI/微流控/功能水凝胶平台开发，以及感染与纤维化疾病建模
- 文献数量：整合约150篇核心研究，包含机制解析、平台开发与临床前验证
二、综合比较的核心结论 📊
主题一：干细胞来源与区域特异性类器官分化路径
图1：展示气道与肺泡6种以上核心上皮细胞的空间分布，以及成体干细胞与多能干细胞向不同区域类器官分化的两条核心路径。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 系统对比成体干细胞（ASC）与多能干细胞（PSC）在肺类器官构建中的分化策略与细胞来源 |
| 发现什么 | ASC直接分离可生成含基底细胞/纤毛细胞的支气管球或含AEC1/AEC2的肺泡球；PSC需经定形内胚层（DE）与前肠内胚层（AFE）阶段，自发聚集形成含间充质成分的胎儿样类器官 |
| 说明什么 | ASC模型更贴近成人组织稳态与损伤修复，PSC模型擅长重现胚胎发育程序，两者在疾病建模中需根据研究目标互补使用 |
主题二：多细胞微环境共培养提升类器官生理保真度
图2：整合内皮、间质、免疫3类微环境细胞与ALI/微流控/水凝胶3大平台，协同构建感染与纤维化疾病模型。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 汇总内皮细胞血管化、间质细胞旁分泌支持、巨噬细胞微注射等共培养策略的构建流程与表型验证 |
| 发现什么 | 内皮细胞促进分支血管网络形成；间质细胞通过Rspondin-2/3表达维持AEC2干性；巨噬细胞共培养使终末分化上皮细胞比例提升，且下调Ccl4/Il6/Il8炎症因子表达超50% |
| 说明什么 | 单一上皮培养无法模拟肺泡-毛细血管屏障与免疫应答，多细胞共培养是突破类器官成熟度与功能完整性的核心路径 |
主题三：气液界面（ALI）系统驱动上皮极化与病原体易感性
图3：ALI培养诱导囊状/分支形态，上调TMPRSS2表达使AEC2对SARS-CoV-2感染易感性显著增强。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 将肺类器官接种于Transwell微孔膜，基底侧接触培养基，顶端暴露于空气，对比浸没培养与ALI条件下的形态与病毒感染效率 |
| 发现什么 | ALI条件下形成紧密连接与功能性纤毛摆动结构；SARS-CoV-2感染模型中TMPRSS2表达上调，病毒滴度较传统浸没培养提升约2-3倍，纤毛细胞表现出更高感染脆弱性 |
| 说明什么 | ALI重建了气道顶端-基底极性与物理屏障，是研究呼吸道病毒感染机制、宿主-病原体互作及抗病毒药物评价的标准配置 |
主题四：微流控芯片实现动态力学刺激与多器官互作
图4：微流控装置集成曲率微孔与多器官灌注系统，支持机械拉伸与抗癌药物浓度梯度筛选。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 构建含柔性腔室的肺芯片，施加真空模拟呼吸周期拉伸，或串联心/肝类器官建立多器官灌注网络，进行药物毒性测试 |
| 发现什么 | 上皮单层在10%周期性机械应变下维持完整屏障功能；抗癌药物处理48小时后Cleaved caspase-3阳性细胞呈浓度依赖性增加；多器官芯片可同步检测跨器官细胞因子释放 |
| 说明什么 | 微流控突破了静态培养的局限，动态力学与流体剪切力是维持肺泡生理功能的关键，串联系统为系统性毒理与药代动力学评价提供高保真平台 |
主题五：功能化水凝胶替代Matrigel优化基质微环境
图5：PEG-4MAL+RGD合成水凝胶与肺组织脱细胞基质（dECM）显著提升类器官存活率与谱系特异性标志物表达。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 对比PEG合成水凝胶、人肺泡dECM与牛肺dECM的力学性能、脱细胞工艺及类器官培养效果，评估NKX2-1/P63/FBN1等标志物表达 |
| 发现什么 | PEG-4MAL+RGD支持上皮极化与肺特异性标志物表达；肺泡dECM保留FBN1等关键微纤维蛋白，促进AEC2增殖；冻融法制备的dECM较SDS法细胞存活率提升超60%，且无显著细胞毒性 |
| 说明什么 | 基质成分与刚度直接决定类器官命运，定制化dECM与合成水凝胶是解决传统Matrigel批次差异、动物源污染及临床转化安全性的必由之路 |
主题六：呼吸系统感染与纤维化疾病建模的临床转化潜力
图6：肺类器官在SARS-CoV-2感染、肺纤维化及药物筛选中的应用路径与临床前验证数据汇总。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 利用TGF-β1诱导纤维化表型，LPS/病毒激发炎症级联反应，并在共培养体系中进行抗病毒与抗纤维化小分子药物筛选 |
| 发现什么 | TGF-β1处理导致胶原沉积增加与上皮-间质转化；巨噬细胞共培养使炎症因子表达下调超50%；药物筛选显示特定抑制剂可逆转纤维化表型，病毒载量在优化模型中呈指数增长且与临床病理高度一致 |
| 说明什么 | 类器官模型已具备替代部分动物实验进行机制解析与药效评价的能力，为个性化精准医疗与临床前IND申报提供直接证据链 |
三、对领域/产品的意义 💡
共识变化：学界共识从“单一上皮类器官即可模拟肺功能”转向“必须整合血管、基质、免疫及动态力学刺激”。争议点集中在PSC与ASC来源的标准化程度，以及dECM与合成水凝胶在临床转化中的优先级排序。
未解决问题：
- 缺乏长期维持成熟肺泡表型（如功能性气体交换与表面活性蛋白分泌）的稳定培养体系
- 高通量筛选与单细胞分辨率活体成像的兼容性不足，限制动态表型追踪
- 免疫微环境的时间动态调控仍不精确，巨噬细胞极化与上皮修复的时序耦合机制待解
与我们产品的关联：肺类器官正从手工滴胶迈向自动化、标准化与高通量阶段。我们的3D生物打印与微流控平台可直接填补基质封装一致性、动态力学模拟与高通量药效筛选的空白，加速呼吸道疾病模型的临床前转化。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 具体场景/空白 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 用于标准化肺类器官与dECM/PEG水凝胶的自动化封装，替代手工滴胶，解决批次差异与空间异质性控制难题 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐⭐ | 提供低剪切力微重力环境，促进肺泡囊状结构自组装与内皮血管网络延伸，优化类器官成熟度与长期存活率 |
| SIEVEWELL | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 用于高通量类器官药物筛选与活细胞成像，兼容微流控接口与自动化移液，解决传统96孔板通量低与成像畸变问题 |
参考文献
- Joo H, Min S, Cho SW. Advanced lung organoids for respiratory system and pulmonary disease modeling. J Tissue Eng. 2024;15:20417314241232502. DOI: 10.1177/20417314241232502
- Dye BR, Hill DR, Ferguson MA, et al. In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids. Elife. 2015;4:e05098. DOI: 10.7554/eLife.05098
- Sachs N, Papaspyropoulos A, Rios-Esteves J, et al. Long-term expanding human airway organoids for disease modeling. EMBO J. 2019;38:e100300. DOI: 10.15252/embj.2018100300
- Huh D, Matthews BD, Mammoto A, et al. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010;328(5986):1662-1668. DOI: 10.1126/science.1188302
- Cruz-Acuna JM, Quirós M, Huang FF, et al. Synthetic hydrogels for human intestinal stem cell expansion and organoid culture. Nat Commun. 2017;8:2235. DOI: 10.1038/s41467-017-01401-7
转发语：肺类器官正从“静态培养”迈向“多细胞+动态力学”的精准建模时代。这篇综述系统梳理了ALI、微流控与功能水凝胶的整合策略，为呼吸道疾病机制解析与高通量药物筛选提供了清晰的技术路线图。
联系人：李东伟
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