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在微生物感染过程中，病原体、宿主组织、免疫系统和微生物群落之间的相互作用起着迫切作用，使得这些过程变得复杂难以揣摸。巨匠医疗系统濒临着与抗微生物药物抗性上涨以及新兴病原体有关的契机性感染数目增多的挑战。因此，需要久了了解微生物感染，以促进新的会诊用具和和解弊端的发展。传统上，对微生物病原体的揣摸主要依赖于动物和细胞培养模子来模拟宿主中的感染过程。连年来，微流控和生物工程的进展导致了器官芯片（Organ-on-chip，OoC）工夫的发展。这些微流控系统创造了更具生理学预料的条目，并可被视为体外的东说念主体化模子。

来自德国莱布尼茨自然居品和感染生物学揣摸所-汉斯诺尔揣摸所的Bernhard Hube团队综述了各样OoC模子偏激在传染病揣摸中的应用。综合了使它们成为微生物学中有价值的用具的本性，如动态微环境、血管化、接近生理组织结构和功能免疫细胞的部分整合，以及它们的局限性。终末，操办了OoC的出路偏激在改日传染病揣摸中的潜在作用。有关职责以题为“Organ-on-chip models for infectious disease research”的综述著作发表在2024年03月25日的海外顶级期刊《Nature microbiology》。

1. 主要内容

本综述转头了OoC模子的特色偏激在传染病揣摸中的价值。操办了这些模子在微生物致病性、宿主-病原体相互作用和和解弊端等方面的应用。意见是向传染病学家先容OoC模子，并强调它们怎样像动物模子一样为微生物发病机制提供灵验的视力，同期保捏体外系统的抵制性和无邪性。

【OoC模子的特色】

大大宗OoC模子是大要与显微镜玻片大小特别的细胞培养腔室，由一个或多个由膜或水凝胶分隔的隔室组成（图1a）。它们由光学透明材料制成，以便进行显微镜不雅察，并与微流控系统集成，通过培养腔室中灌输培养基，或通过真空泵对腔室进行拉伸和收缩（图1b）。通过在OoC模子的隔室中莳植不同类型的细胞，不错模拟与特定揣摸问题有关的不同组织（图1c）。举例，不错包括肖似血管系统的隔室，以揣摸免疫细胞的招募或病原体的传播。尽管这些特色在动物模子和某些体外模子中也存在，但在单个体外模子中合并东说念主类细胞和生物力学力和支架等微环境特征，使OoC安设成为东说念主类传染病揣摸中具有诱骗力的揣摸系统（图1d）。实质上，在符合的动物模子缺失机，OoC模子可能相配迫切。举例，抗体TNT005旨在和解慢性炎症性脱髓鞘性多精神病（一种神经自身免疫性疾病），在OoC模子的临床前测试后取得了进行东说念主体临床查考的批准，因为该疾病的动物模子不行用。这可能适用于严格的东说念主类病原体或缺少可拜访或合适的动物模子的病原体。因此，使用东说念主类细胞的先进体外模子是一种相配有价值的揣摸用具。

图1 一般的OoC模子

【OoC模子在传染病揣摸中的后劲】

在OoC模子中仍是复制了几种与揣摸传染病有关的组织（图1c和图2）。皮肤和黏膜组织不错更准确地复制，因为它们粗浅具有较少的结构和功能复杂性。干系词，跟着生物复杂性的增多，更难在体外从头创建完满的器官功能。为惩办这个问题，揣摸东说念主员仍是运行将重心放在小的功能单元上，而不是悉数器官，举例神经血管单元与大脑。OoC安设已被用于模拟由病毒、细菌、真菌和寄生虫引起的感染（图2）。皮肤、肠说念和肺等器官是主要见谅的对象，因为它们粗浅是病原体入侵的第一构兵点。肝脏、大脑和肾脏等粗浅受到感染的器官也不错部分地在OoC中建模。OoC模子在揣摸运用特定细胞受体（如很多病毒）和穿越组织樊篱的致病因子方面尽头灵验。这导致了训练的模子，已应用于基础感染揣摸和药物测试。OoC模子不错用于弥合传统细胞培养模子和动物模子之间的特定差距，举例，在体外模子的受控环境中合并体内发现的生理有关特征与东说念主类细胞相合并。此外，OoC与显微镜的兼容性使得或者以比体内更高的时空永别率不雅察过程，这已被运用来监测、表征和量化感染。干系词，与任何模子一样，在使用之前必须了解其局限性。与OoC比拟，动物模子在揣摸影响多个器官或得当性免疫响应（如败血症）的条目或末端时阐扬更好。与OoC比拟，传统的细胞培养或器官样系统更容易应用于高通量弊端。弊端是要信服OoC不错线路作用的揣摸意见，尽头是因为所需的专科常识和工夫挑战可能与动物试验特别。

图2 感染生物学中的 OoC 模子

【在OoC模子中对生物物理宿主本性进行建模】

在OoC模子中的流动也允许评估组织间的相互作用。举例，在胎儿-母体界面模子中，联络了各样母体和胎儿细胞层，并进行了灌流。这使得不错揣摸细菌在母体子宫颈和胎儿组织上引起的上皮感染（图3a）。揣摸了免疫响应、Ureaplasma parvum感染细胞开释的外泌体的作用以及警报卵白的作用，并信服了早产的生物记号物。很多微生物复制速率很快，使用静态模子具有挑战性。微生物不错快速过度滋长宿主细胞，在培养基中破钞养分物资，最终杀死宿主细胞，而不指引与体内不雅察到的表型相对应的情景。典型的惩办决策包括注重细胞损害的培养基、依期更换培养基、较短的试验时候或使用抗生素，但这可能会导致末端偏差。比拟之下，OoC模子中的连气儿流动不错去除非粘附的微生物，注重微生物过度滋长对模子的无益影响。这既不错揣摸快速增殖微生物的致病机制，又不错整合沉稳的共生微生物群落。后者关于揣摸微生物群落尤其迫切，因为它不错退换宿主免疫系统，并影响很多病原体的滋长和毒力。与此一致，几种OoC模子仍是评释了微生物群落对宿主的益处，举例辞谢感染和减弱炎症。

图3 传染病揣摸中使用的示例性 OoC 模子

【器官芯片模子中的血管化】

在OoC斥地中应用流动的一个主要上风是将血管系统整合到组织模子中（图1b、c）。因此，不错揣摸病原体通过血液传播、免疫细胞的招募或药物的散播。在感染生物学界限使用的很多OoC模子通过用内皮细胞遮蔽其中一个隔室来竣事血管化。尽管还有其他弊端不错竣事血管化（举例，癌症揣摸粗浅需要更复杂的血管网罗），但单一的专用通说念更容易建立和操作，而况足以提供对感染过程荒芜的解释。

血管芯片模子（图3b）可用于揣摸血液传播的病原体与血管系统的相互作用，以及繁芜血管完满性的病原体（如出血病毒）。通过打针荧光白卵白并合并时候推移显微镜工夫，仍是揣摸了埃博拉病毒和拉沙病毒引起的血管病变。埃博拉病毒样颗粒导致血管渗漏并激活与疾病严重并发症有关的Rho-ROCK通路。进一步对Rho-ROCK通路的揣摸发现了在临床有关浓度下逆转血管渗漏的分子。

为揣摸特定的宿主-病原体相互作用，重现微血管的三维结构、生物记号物和物理本性具有迫切预料。当恶性疟原虫感染的红细胞在脑部微血管中淹留时，会导致脑型疟疾。使用灌流的三维脑部微血管模子，信服了介导疟原虫感染红细胞与内皮细胞黏附的两种卵白质。很多病原体不错通过血液传播到其他器官，引起要挟生命的全身性疾病。通过具有血管隔室的OoC不错模拟这个过程并揣摸分子机制（图3c-e）。举例，当白念珠菌从肠说念插足血液轮回时，不错引起全身性念珠菌病。在具有血管隔室的肠说念芯片中，模拟了真菌滋长、方式变化、组织损害和搬动（全身性念珠菌病的特征）。使用这种弊端量化了病原体侵入血管的进度，并进一步评释有意菌不错辞谢全身性念珠菌病。

【将功能性免疫细胞整合到OoC模子中】

将轮回的先天免疫细胞（如中性粒细胞）不错通过OoC斥地中的血管隔室进行灌流，以模拟趋化性、通过内皮樊篱的搬动、组织浸润和与病原体的相互作用（图4a）。中性粒细胞的动态举止，包括中性粒细胞外网（neutrophil extracellular trap，NET）的变成和群聚，通度日体细胞成像泄漏，当免疫细胞浸润膀胱组织以断根尿路致病性大肠杆菌。中性粒细胞的招募和响应也在肺部和皮肤芯片模子中模拟了病毒感染。雷同，单核细胞在经血管化的肝芯片中泄漏出在败血症后规复肝功能的智商。通过血管隔室灌输单核细胞，它们附着在内皮细胞上，浸润了模子中的肝组织部分，并在急性炎症时间改善了肝细胞功能，从而重现了这些体内过程。OoCs如故揣摸黏膜免疫学和上皮组织与先天免疫细胞之间相互作用的有出路的平台。举例，组织驻留巨噬细胞对组织稳态至关迫切，并通过开释细胞因子和感知其他细胞类型开释的细胞因子在炎症和病原体注重中线路弊端作用（图4a）。出于这个原因，巨噬细胞仍是被整合到各样OoC模子中以揣摸宿主-病原体相互作用（图4a）。在将它们引入OoC模子之前，巨噬细胞不错相应地分化为感好奇羡慕好奇羡慕的亚群，举例巡游肺泡组织的肺泡巨噬细胞（图4a）。干系词，细胞也不错在斥地内分化，以模拟它们当然发展为各样细胞群体，如在肠说念芯片模子中所示。在这里，单核细胞分化为组织驻留巨噬细胞和腔内采样树突状细胞。对内毒素的响应在血管和肠说念隔室之间有所不同；在血管隔室中不雅察到内毒症（血液中存在细菌内毒素或脂多糖），而在肠说念隔室中内毒素被“耐受化”（图4b）。因此，含有功能性先天免疫细胞的肠说念OoC不错匡助模拟与炎症性疾病有关的肠说念樊篱生理和免疫病理学的迫切方面。在OoC模子中也模拟了炎症性肠病（IBD）的临床特征，如由侵犯素-γ等促炎细胞因子引起的绒毛损害和肠说念樊篱繁芜，以及对肠说念隔室中细菌过度滋长的响应（图4b）。

图4 将功能性免疫细胞整合到 OoC 模子中

【运用OoC模子对多器官感染进行建模】

微流体学隔室（Microfluidic compartments）不错联络在通盘，将多个不同的组织整合到一个平台中，变成多器官芯片（MOoC）模子。这么的MOoC平台不错揣摸与全身性感染有关的揣摸问题，包括轮回免疫细胞的作用或器官间的代谢居品交换。举例，肠-肾或肝-肾MOoC可能有助于揣摸全身性念珠菌感染，皮肤-肝平台不错模拟金黄色葡萄球菌感染。一个现存的例子是疟疾芯片模子。恶性疟原虫具有触及多个东说念主体器官的复杂生命周期。这个包含内皮细胞、脾脏、肝脏和轮回红细胞的MOoC模子不错督察感染八天，并再现恶性疟原虫感染的各个阶段，同期展示对和解的明锐性和耐药性。因此，它不错算作揣摸疟疾致病机制和测试抗疟药物的迫切资源。

【OoC 系统的局限性】

· 在往日几年中，OoC模子在改日揣摸中的迫切性不休增多，但它们仍然存在一些适度。一个主要挑战是需要圭表化和考据，这是将这些模子纳入临床前揣摸的先决条目。现在，很多发愤王人戮力于于圭表化OoC模子。

· 此外，很多芯片中使用的材料可能对药物发现经过组成挑战。聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种平庸使用的材料，用于制造芯片，因为它具有无邪性、透明度、多功能性和易于使用的特色。干系词，PDMS会招揽疏水分子，并指引卵白质吸附到其名义。其他用于管说念或储液池的塑料可能会产生调换的成果。这可能会改换培养基等分子的浓度散播，对末端产生负面影响。此外，分离和结构化细胞的东说念主工膜或支架会适度趋化因子、代谢居品和微生物在组织之间的扩散和交换。

· 与其他模子（如孔板或器官样）比拟，OoC模子粗浅蒙眬量较低。这使得它们不太得当筛选候选药物，并适度了它们在管说念的后续阶段中的应用，因为唯有少数主导化合物留住。

· OoC模子可能并不得当每个揣摸机构。它们比传统的细胞培养模子更难处理，而况需要特定的斥地和材料，这可能增多试验的老本。它们的复杂性较高（如不同的细胞类型、组织结构和机械力），在剖解分子或细胞水平的相互作用时可能会带来一些不利身分，因为需要磋议更多的变量。

· 终末，OoC模子无法齐备取代动物模子，因为仍然需要这些模子来评估系统性末端和全体过程。大大宗疾病和和解不单是局限于单个细胞间的相互作用，而是触及多个组织和器官。OoC不错从头构建几种组织和结构，但无法齐备再现东说念主体的高度复杂性。

2. 总结与预计

在这里提到的各样揣摸标明，OoC模子不错匡助再现东说念主体组织的组成、结构、功能和环境。尽管其中一些优点并非是OoC模子荒芜的，但它们将很多上风会通到一个平台中，使其或者处理感染生物学中的复杂揣摸意见，同期保捏体外职责的无邪性和可控性。需要珍贵的是，OoC模子自己并不比其他模子更优胜，但它们为体外系统和体内模子提供了另一种选拔。事实上，使用不同的模子来惩办揣摸问题的特定部分是一种常见的弊端。在正确的揣摸问题上，OoC模子不错成为雄壮的用具。它们尽头适用于模拟动态环境或多个组织之间的相互联络的传染病。OoC模子不错无邪地计算和调整，以得当科学或工业需求。现时市集上也提供了具有不同复杂度、多功能性、易用性和价钱的OoC模子。干系词，是否使用OoC模子以及选拔哪种类型应该凭据具体情况磋议，并合并操办的要点进行决策。

总的来说，(M)OoC在感染生物学、免疫学和生物医学界限正在茂盛发展。在改日几年，咱们不错预期不同(M)OoC表情和应用的发展，以模拟健康和疾病。磋议到它们日益各样、复杂和可靠的末端，它们将为传染病提供新的视力，并有望匡助发现新的抗感染化合物。

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