肝器官芯片同時(shí)支持多種肝實(shí)質(zhì)/非實(shí)質(zhì)細(xì)胞生長(zhǎng)，通過微流控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)培養(yǎng)基的連續(xù)灌注，能夠確保這些細(xì)胞維持正常的生長(zhǎng)、代謝以及在其他因素刺激后呈現(xiàn)應(yīng)有的反應(yīng)狀態(tài)，從而達(dá)到模擬肝臟微小結(jié)構(gòu)單元的生理或病理狀態(tài)。目前，肝芯片應(yīng)用的場(chǎng)景較為廣泛，例如毒性測(cè)試、藥物安全性測(cè)試、對(duì)特定疾病建模、研究疾病病理機(jī)制等。下面我們分享肝芯片和藥物引起肝損傷的兩篇文章。

一、肝臟芯片可在各物種中預(yù)測(cè)候選藥物的毒性

新藥研發(fā)流程進(jìn)入臨床試驗(yàn)前，會(huì)在非嚙齒動(dòng)物模型中評(píng)估其安全性。目前，非嚙齒動(dòng)物模型的毒理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘�確預(yù)測(cè)71% 毒性，其中在胃腸道、血液學(xué)和心血管毒性的預(yù)測(cè)中表現(xiàn)出相對(duì)較高的一致性，但在預(yù)測(cè)藥物性肝損傷 （DILI）的表現(xiàn)中并不理想。

本文中作者使用肝芯片容納源自非嚙齒動(dòng)物（大鼠、狗）和人的不同類型的肝細(xì)胞—肝實(shí)質(zhì)細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、星狀細(xì)胞和庫普弗細(xì)胞，構(gòu)建了具有功能的體外肝臟單元，從而實(shí)現(xiàn)跨物種檢測(cè)多種藥物對(duì)肝臟的特異性作用。

圖1 肝細(xì)胞結(jié)構(gòu)的肝芯片示意圖
注：原代肝細(xì)胞以ECM三明治形式在上實(shí)質(zhì)通道中生長(zhǎng)，NPC（LSEC、Kupffer 和星狀細(xì)胞）生長(zhǎng)在下血管通道中同一膜的另一側(cè)

 
例如，研究發(fā)現(xiàn)波生坦（一種被批準(zhǔn)用于治療肺動(dòng)脈高壓的藥物）可導(dǎo)致人類膽汁淤積，但不會(huì)引起大鼠或狗的膽汁淤積。每天施用不同濃度的波生坦會(huì)導(dǎo)致物種特異性芯片中的白蛋白分泌減少，這一效應(yīng)在人、狗和大鼠芯片中具有不同的體現(xiàn)，其中，波生坦施加在人肝芯片上的效果與臨床反應(yīng)的相關(guān)性最強(qiáng)，其在人肝芯片上的毒性濃度和出現(xiàn)DILI的患者血漿濃度近似。

接下來進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，將因?qū)е麓笫蟾味拘远�停產(chǎn)的楊森專有化合物JNJ-2在大鼠芯片中測(cè)試，連續(xù)每日施用JNJ-2（150mg/kg），持續(xù)2周會(huì)導(dǎo)致芯片上表現(xiàn)出肝纖維化的現(xiàn)象。但相比之下，用相同濃度連續(xù)處理人肝芯片4天不會(huì)影響肝細(xì)胞正常功能，延長(zhǎng)處理時(shí)間至14天，也不會(huì)產(chǎn)生這些異常，這說明大鼠和人肝細(xì)胞對(duì)JNJ-2的反應(yīng)具有物種差異。

最后，該平臺(tái)測(cè)試一種名叫TAK-875的候選藥物的特異性毒性作用，該藥物會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、脂滴形成和先天免疫反應(yīng)（細(xì)胞因子釋放）等副作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在部分肝芯片測(cè)試中發(fā)生了例如在一項(xiàng)24周的TAK-875臨床試驗(yàn)中，7名轉(zhuǎn)氨酶高的患者中有5名的肝活檢出現(xiàn)脂肪變性。通過在肝芯片中用藥測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，繼發(fā)于線粒體功能障礙和活性氧形成的脂肪性肝炎可能是TAK-875治療后DILI的潛在表型。這項(xiàng)試驗(yàn)體現(xiàn)了肝臟芯片在評(píng)估反應(yīng)性代謝物形成的病理生理學(xué)后果方面的優(yōu)勢(shì)，可在藥物測(cè)試過程中更好地了解候選藥物的副作用。

二、評(píng)估人類肝臟芯片在藥性肝損傷方面的應(yīng)用

本文評(píng)估了肝器官芯片再現(xiàn)肝臟代謝和毒理學(xué)表型的能力。與2D靜態(tài)培養(yǎng)物相比，它們?cè)试S在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持與在體肝細(xì)胞一致的表型。肝器官芯片在檢測(cè)DILI化合物方面顯示出增強(qiáng)的代謝和毒理學(xué)表型，具有更高的靈敏度和特異性。

以具有肝毒性的乙酰氨基酚（APAP）為例，已知對(duì)APAP最敏感的生物標(biāo)志物是肝臟芯片中的白蛋白。通過監(jiān)測(cè)，APAP對(duì)肝芯片給藥后1天可觀察到白蛋白分泌減少，在第10天時(shí)白蛋白的分泌和細(xì)胞活力值并沒有隨著藥物劑量的升高而出現(xiàn)理想中的線性結(jié)果，即劑量依賴性降低。對(duì)APAP的代謝物做定量后發(fā)現(xiàn)，藥物治療時(shí)谷胱甘肽（GSH）會(huì)自發(fā)地通過谷胱甘肽－S－轉(zhuǎn)移酶與APAP發(fā)生酶促反應(yīng)以形成APAP谷胱甘肽結(jié)合物（ APAP-GSH），肝臟芯片中代謝物的清除率增強(qiáng)可能會(huì)導(dǎo)致 APAP-GSH的低水平。此外，作者還對(duì)FIAU進(jìn)行測(cè)定。這是一種具有抗病毒活性的核苷類似物，肝臟中對(duì)其敏感的生物標(biāo)志物為白蛋白和miR-122。在肝芯片中給藥至第7天和第10天時(shí)觀察到劑量和時(shí)間依賴性減少，在第10天還出現(xiàn)了細(xì)胞活力的劑量依賴性降低，并且miR-122的釋放增加了1至5倍。

圖2 APAP 肝芯片中的APAP-GSH代謝物形成率
注：在第0-1、2-3、6-7和9-10天收集肝芯片肝細(xì)胞通道樣品，用于通過LC-MS測(cè)定APAP-GSH代謝物。第10天的細(xì)胞活力由 ATP 耗竭決定，并且該譜覆蓋在代謝譜上。