類(lèi)器官及器官芯片在生化武器戰(zhàn)創(chuàng)傷相關(guān)研究中的應(yīng)用前景

周 軍,李玉嬌綜述,周?chē)?guó)華審校

0 引 言

戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下,戰(zhàn)創(chuàng)傷是造成戰(zhàn)場(chǎng)減員最主要的原因,嚴(yán)重威脅官兵的生命安全。所以,開(kāi)展及加強(qiáng)戰(zhàn)創(chuàng)傷研究是增強(qiáng)衛(wèi)勤保障能力必不可少的重要一環(huán)?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中武器種類(lèi)繁多,造成戰(zhàn)創(chuàng)傷的方式、部位及損傷嚴(yán)重程度等各不相同。各種武器中,有一類(lèi)性質(zhì)極惡劣的大規(guī)模殺傷性武器——生化武器(包括生物武器和化學(xué)武器),雖已被定為禁用武器,但未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)是否會(huì)再次出現(xiàn)仍未可知;此外,生化武器也是現(xiàn)在恐怖分子實(shí)施襲擊或威脅的重要手段[1-2]。因此,介于生化武器的嚴(yán)重危害性,必須做好一定的預(yù)防性準(zhǔn)備,其對(duì)機(jī)體造成的戰(zhàn)創(chuàng)傷需加強(qiáng)研究,以開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的反生化試劑和藥物。

生化武器的本質(zhì)是各類(lèi)生物戰(zhàn)劑和化學(xué)戰(zhàn)劑的使用,可以是細(xì)菌、真菌、病毒、毒素及化學(xué)毒劑等[3]。雖可通過(guò)各類(lèi)物理隔絕裝備起到一定的阻隔效果,但有毒有害物質(zhì)仍有很大概率侵入機(jī)體。生物和化學(xué)戰(zhàn)劑通常具備低劑量、高毒性、起效迅速及常規(guī)醫(yī)療不理想等特點(diǎn),侵入機(jī)體后能夠造成失能等急性病理狀態(tài)乃至死亡風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。因此,研究各類(lèi)生物和化學(xué)戰(zhàn)劑發(fā)揮功能作用的方式及具體機(jī)制,有助于反生化武器裝備及機(jī)體解毒藥劑等研制。針對(duì)開(kāi)展生物和化學(xué)戰(zhàn)劑發(fā)揮功能作用的方式及具體機(jī)制相匹配的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嚓P(guān)研究,尤其是能夠模擬人體組織生理病理特征的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?對(duì)于提高研制速率及成功率等具有十分重要的意義。本文主要就有望用于特殊戰(zhàn)創(chuàng)傷研究模型的幾種類(lèi)器官及器官芯片作一綜述。

1 類(lèi)器官及器官芯片

現(xiàn)階段戰(zhàn)創(chuàng)傷研究中使用的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵琅f以二維(2D)細(xì)胞模型和動(dòng)物模型為主,但通過(guò)細(xì)胞和動(dòng)物模型獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與臨床實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較多差異。就藥物研究領(lǐng)域而言,臨床前表現(xiàn)良好的候選藥物在人體臨床試驗(yàn)中超過(guò)90%均會(huì)失敗,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木窒扌允侵匾蛑?嚴(yán)重阻礙了藥物研發(fā)效率。因此,優(yōu)化并使用與人體組織生理、病理特性更為接近的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)提高相關(guān)研究效率具有重要意義。

類(lèi)器官是利用發(fā)育生物學(xué)相關(guān)原理,誘導(dǎo)干細(xì)胞“自主裝”形成的三維(3D)多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的微細(xì)胞團(tuán),具備真實(shí)器官的一些關(guān)鍵細(xì)胞、相似的解剖學(xué)特征甚至某些功能特征[5];器官芯片則是一類(lèi)體外微流控細(xì)胞培養(yǎng)裝置,利用生物工程策略制備適宜活細(xì)胞生長(zhǎng)的微通道芯片,進(jìn)而模擬真實(shí)器官的某種微生理功能[6]。細(xì)胞和動(dòng)物模型的局限性不言而喻,如永生化細(xì)胞系甚至原代細(xì)胞進(jìn)行傳統(tǒng)的2D細(xì)胞培養(yǎng),則無(wú)法完全模擬組織器官的結(jié)構(gòu)和異質(zhì)性,缺少不同類(lèi)型細(xì)胞間的相互作用,不能完全反應(yīng)出損傷后組織器官真實(shí)的生理病理狀態(tài)及細(xì)胞響應(yīng);而動(dòng)物模型雖是現(xiàn)在科學(xué)研究中最重要的組成,依舊存在一定的局限性,最顯著的就是與人之間的物種隔離造成的免疫系統(tǒng)差異等,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)論可能與人體有所差異,因此也不能完全模擬人體中的生理病理學(xué)特征。此外,臨床前實(shí)驗(yàn)常用的非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜;而用于研究的戰(zhàn)創(chuàng)傷人體標(biāo)本更加無(wú)法獲取。由此可知,類(lèi)器官和器官芯片能較好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)細(xì)胞模型和動(dòng)物模型的局限性,且操作相對(duì)簡(jiǎn)單、培養(yǎng)周期適宜、能夠?qū)崿F(xiàn)高通量研究需求等特性。

常規(guī)冷兵器和熱武器造成的槍彈傷、炸傷及刃器傷等機(jī)體開(kāi)放性戰(zhàn)創(chuàng)傷[7],由于其研究通常需要在整體動(dòng)物模型上開(kāi)展,若將類(lèi)器官及器官芯片做為研究模型則存在一定的局限。但生物戰(zhàn)劑和化學(xué)戰(zhàn)劑是通過(guò)呼吸系統(tǒng)、皮膚、胃腸道及血液系統(tǒng)等進(jìn)入機(jī)體直接損傷組織器官,造成特殊性戰(zhàn)創(chuàng)傷[8-9]。因此,具備真實(shí)器官相同的關(guān)鍵細(xì)胞、相似的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)和某些功能特征的類(lèi)器官及器官芯片,似乎更加適宜作為此類(lèi)直接損傷組織器官的特殊性戰(zhàn)創(chuàng)傷研究模型。

2 類(lèi)器官及器官芯片在生化戰(zhàn)劑損傷研究中的應(yīng)用

2.1 呼吸道類(lèi)器官及器官芯片呼吸系統(tǒng)是生化戰(zhàn)劑侵入機(jī)體發(fā)揮損傷作用最典型的途徑之一,也是生化戰(zhàn)劑直接攻擊的主要組織[9-10]。細(xì)菌、真菌、病毒及化學(xué)毒氣等均能夠輕易借助口、鼻進(jìn)入機(jī)體,直接損傷咽部、喉部、支氣管和肺組織等呼吸系統(tǒng),導(dǎo)致呼吸道炎癥及梗阻、肺水腫、肺損傷、出血、窒息、膿毒癥乃至死亡[10]。2010年Ingber實(shí)驗(yàn)室成功創(chuàng)建了肺器官芯片模型以模擬肺泡結(jié)構(gòu)及其收縮和舒張功能[11],該模型也已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)研究領(lǐng)域,包括細(xì)菌、化學(xué)物質(zhì)、納米材料以及有毒有害物質(zhì)的檢測(cè)[12-13]。近年針對(duì)新冠病毒的研究中,肺類(lèi)器官及器官芯片也發(fā)揮了重要作用,Han等[14]構(gòu)建了人多能干細(xì)胞(human pluripotent stem cells, hPSCs)衍生的肺和腸道類(lèi)器官系統(tǒng)并對(duì)FDA批準(zhǔn)藥物進(jìn)行篩選,成功鑒定出了包括伊馬替尼、霉酚酸和鹽酸阿那卡因在內(nèi)的三種具備抗SARS-CoV-2活性的藥物;Nature雜志上最近的研究也顯示,研究人員利用人成體干細(xì)胞分化的氣道類(lèi)器官結(jié)合腸道、膽管類(lèi)器官,發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了一種原本用于治療肝病的藥物——熊去氧膽酸,可關(guān)閉ACE2受體以預(yù)防新冠病毒各種變體的感染[15];Chen等[16]改進(jìn)了一種更為仿生的人肺芯片微生理系統(tǒng),具有肺泡、肺支氣管腔和微血管單元,且允許多種免疫細(xì)胞整合入系統(tǒng),應(yīng)用于病毒、炎癥反應(yīng)及其他肺部高危感染性疾病的研究中。上述研究表明呼吸道類(lèi)器官及器官芯片完全適用于細(xì)菌、病毒及化學(xué)毒劑等生化戰(zhàn)劑的相關(guān)研究,可用于探究生化戰(zhàn)劑對(duì)呼吸系統(tǒng)造成的病理?yè)p傷狀況及具體損傷機(jī)制,也可輔助相應(yīng)解毒試劑和藥物的開(kāi)發(fā)及高通量篩選。

2.2皮膚類(lèi)器官及器官芯片皮膚是另一典型的生化戰(zhàn)劑損傷靶器官,任何具有損傷皮膚、透皮吸收以及腐蝕性的戰(zhàn)劑均可對(duì)皮膚造成傷害,或者經(jīng)皮膚進(jìn)入機(jī)體造成破壞[9]。如路易氏毒劑,一種易被皮膚吸收的親脂液體,會(huì)迅速引起皮膚灼燒感、紅斑伴有炎癥反應(yīng),隨后出現(xiàn)血性水皰,進(jìn)入機(jī)體后最終會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞凋亡等病理?yè)p傷[17]。近年來(lái),結(jié)合類(lèi)器官和器官芯片技術(shù),更為先進(jìn)的仿生皮膚模型正在被不斷重建,稱(chēng)為皮膚芯片[18]。雖然皮膚芯片仍有許多局限性,但也已被應(yīng)用于模擬疾病、細(xì)菌感染及藥物毒性和功效測(cè)試等[19]。Wufuer等[20]使用皮膚芯片模擬了人類(lèi)皮膚結(jié)構(gòu)(包括人表皮、真皮和內(nèi)皮組織)和功能反應(yīng),真皮層中使用腫瘤壞死因子誘導(dǎo)了皮膚炎癥和水腫,利用該模型測(cè)試了治療性藥物的療效,并評(píng)價(jià)了皮膚屏障功能。文獻(xiàn)報(bào)道稱(chēng),現(xiàn)在開(kāi)發(fā)的皮膚芯片模型(如EpiSkin、SkinEthic和EpiDerm)具有眾多的研究應(yīng)用可能性:皮膚刺激,腐蝕,水合作用,藥物輸送,抗衰老,紫外線防護(hù)等[21]。上述研究表明皮膚芯片同樣適用于生化戰(zhàn)劑導(dǎo)致的皮膚損傷研究,可用于開(kāi)發(fā)相應(yīng)的損傷模型、評(píng)估有毒有害物質(zhì)的透皮吸收情況、探究具體損傷機(jī)制及輔助研發(fā)解毒制劑等,相較于傳統(tǒng)模型而言可以實(shí)現(xiàn)高通量實(shí)驗(yàn)開(kāi)展。

2.3耳、鼻、喉類(lèi)器官及器官芯片耳、鼻、喉區(qū)域雖空間狹窄,但解剖結(jié)構(gòu)多且成分復(fù)雜,分布有重要血管及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[22]。不僅是生化戰(zhàn)劑入侵機(jī)體的主要途徑,其自身區(qū)域也會(huì)遭受破壞,從而導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)體損傷及戰(zhàn)場(chǎng)減員。如二苯氰胂和二苯氯胂毒劑主要刺激上呼吸道,導(dǎo)致劇烈咳嗽、噴嚏及流涕,鼻、咽喉部燒灼樣疼痛等,長(zhǎng)期高劑量暴露會(huì)導(dǎo)致全身中毒表現(xiàn),頭痛及精神抑郁等[23];三氯化砷則會(huì)導(dǎo)致喉頭水腫甚至窒息,大量接觸可造成神經(jīng)損傷等[23]。耳、鼻、喉作為重要的組織結(jié)構(gòu),相應(yīng)的類(lèi)器官研究也一直備受關(guān)注。Kurihara等[24]通過(guò)hPSCs優(yōu)化構(gòu)建的耳類(lèi)器官成功識(shí)別出了順鉑的神經(jīng)毒性,有望成為一種新的藥物評(píng)價(jià)系統(tǒng)。Wu等[25]借助包含纖毛細(xì)胞、杯狀細(xì)胞和基底細(xì)胞的鼻上皮類(lèi)器官,詳細(xì)解析了SARS-CoV-2感染呼吸道上皮細(xì)胞及進(jìn)出鼻腔細(xì)胞的具體機(jī)制;并提出了使用鼻噴劑或預(yù)防性短效藥物延遲病毒進(jìn)出和傳播,為免疫系統(tǒng)介入而阻止全面感染爭(zhēng)取時(shí)間的新預(yù)防性策略。目前關(guān)于喉類(lèi)器官及器官芯片的研究較少,但喉屬于呼吸系統(tǒng),且功能主要依賴(lài)源于前腸的喉上皮結(jié)構(gòu)[26]。因此,借鑒腸、支氣管上皮類(lèi)器官及器官芯片培養(yǎng)方法,或可開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的喉上皮類(lèi)器官及器官芯片。上述研究提示耳、鼻、喉類(lèi)器官及器官芯片也是生化戰(zhàn)劑研究的潛在可靠實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?同樣能夠開(kāi)展高通量實(shí)驗(yàn),有助于解毒、緩解癥狀等制劑的開(kāi)發(fā)。耳鼻喉是通過(guò)咽鼓管相連通,若能實(shí)現(xiàn)耳、鼻、喉類(lèi)器官或器官芯片的聯(lián)用,對(duì)科學(xué)研究的幫助和意義則更加重大。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技水平的飛速發(fā)展,使得現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)環(huán)境變得極其復(fù)雜、殺傷性武器品種也層出不窮,尤其是生化武器的種類(lèi)及使用情況無(wú)法預(yù)測(cè)。但生化武器的嚴(yán)重危害性促使我們不得不做好相應(yīng)準(zhǔn)備,因此針對(duì)性的科學(xué)研究必須加快腳步、提高效率。

類(lèi)器官及器官芯片作為現(xiàn)階段具備最為接近人體器官某些功能的研究模型,可以有效的提高生化戰(zhàn)劑導(dǎo)致的戰(zhàn)創(chuàng)傷相關(guān)研究的實(shí)驗(yàn)效果及可靠性、且實(shí)驗(yàn)過(guò)程具有一定的可控性。現(xiàn)階段人體各器官幾乎都有對(duì)應(yīng)的類(lèi)器官及器官芯片模型,但多數(shù)都是只能以單一模型開(kāi)展研究,多類(lèi)器官及器官芯片聯(lián)用模型一直是領(lǐng)域內(nèi)致力攻克的難題,若能實(shí)現(xiàn)將會(huì)給科學(xué)研究注入一劑強(qiáng)心針。結(jié)合人工智能分析手段,可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)創(chuàng)傷研究的快速和高通量實(shí)驗(yàn)開(kāi)展,以及相應(yīng)藥物的高通量篩選,隨著科技的進(jìn)步,未來(lái)或許可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)未知有毒有害物質(zhì)的快速獲取、分析以及解毒藥劑的制備等。