生长因子梯度工程让器官芯片更像人体组织，助力疾病研究和药物开发
2025-05-26 16:28:13 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该研究小组开发了一种器官芯片技术，其中，人体细胞生长在微小的塑料“芯片”中，以模拟人体组织的生物学特性。该技术将支持下一代器官芯片模型的开发，结合组织异质性提高基础研究和药物治疗的预测能力。
人体组织和器官中的空间异质性非常明显，其梯度和界面在发育、功能及功能障碍中起着至关重要的作用。形态发生梯度通过对局部细胞增殖、迁移和分化的时空调节来驱动细胞梯度的形成。反过来，细胞梯度又决定了细胞外梯度，它们相互影响着细胞的行为。因此，形态发生梯度在调节正常人体组织生理学方面起着关键作用。此外，形态发生梯度的破坏具有病理影响，可导致许多人类先天性疾病，包括软骨发育不良和神经发育障碍等。
因此，将形态发生梯度纳入下一代体外模型，将更准确、更生理学地反映健康和疾病组织内及组织间异质性的复杂性，从而更好地预测人类生物学和对治疗的反应。
“器官芯片”（organ-on-a-chip）技术将生物学和工程学相结合，提供了更好的动态组织功能体外模型，与简单的体外模型相比，能更准确地复制体内的生理反应。这些模型还具有减少对预测性差的体内动物模型的依赖的优势，有助于减少研究中动物的总体使用量。在器官芯片中准确反映动态体内功能是通过结合关键的人体细胞类型和调节细胞表型及功能的细胞外微环境成分来实现的。目前，适用于器官芯片模型的空间模式技术仍然匮乏，这对这些模型的交付和转化是一个重大障碍。
据麦姆斯咨询介绍，伦敦大学玛丽皇后学院的生物工程师们在基于实验室的人体组织模型开发方面迈出了重要一步，这种模型有望替代动物试验。
器官芯片设计示意图
该研究小组开发了一种器官芯片技术，其中，人体细胞生长在微小的塑料“芯片”中，以模拟人体组织的生物学特性。相关研究成果已经以“Engineering growth factor gradients to drive spatiotemporal tissue patterning in organ-on-a-chip systems”为题发表于Journal of Tissue Engineering。在这项最新研究中，研究小组介绍了提高这些模型复杂性的新方法，以使它们更像人体组织。
这项研究通过控制作为生物信号分子的生长因子的空间分布来精确引导细胞行为。通过这种新方法，研究小组能够在不同位置重建不同的组织，模拟对健康和疾病都至关重要的组织间界面。
这项研究的首席研究员Tim Hopkins博士说：“人体内的组织非常复杂，在实验室中再现这种复杂性非常困难。器官芯片等技术为生成组织模型提供了一种更好的选择，但直到现在，还缺乏在这些模型中真正模拟组织复杂性的方法。”
通过创建生长因子梯度，可以重现细胞在体内经历的复杂环境，使它们在模型中表现出相同的行为。
这一突破尤其令人兴奋的是，新方法适用于一系列不同的人体组织和不同的商业平台。这意味着，这项研究可用于帮助科学家了解疾病过程，并测试各种人类疾病的新疗法，而无需使用动物，因为动物往往不能很好地预测人类生物学。
骨软骨发育芯片示意图
玛丽皇后学院体外预测模型中心联合主任Martin Knight教授说：“这项工作可能会对我们研究疾病和测试药物的方式产生重大影响。这项研究有助于加快开发更安全、更有效的治疗方法，并减少我们对动物试验的依赖。”
为了证明这些新方法的能力，Knight教授和研究小组使用了一种名为骨形态发生蛋白-2（BMP-2）的生长因子，这种生长因子在骨骼发育中起着重要作用。
通过在器官芯片中创建高浓度和低浓度BMP-2区域，研究人员可以控制系统中人类干细胞的行为，生成骨样区域与软骨样区域的界面，模拟骨骼发育的自然过程。
研究人员将软骨内成骨过程作为这些方法的应用范例，展示了复制发育中和已形成的骨软骨界面表型特征的能力。不过，这些方法并不局限于这种单一的模型，也不局限于所述的平台，而是可以应用于各种器官芯片平台、材料和组织。因此，这些空间模式化方法将支持下一代器官芯片模型的开发，结合组织异质性提高基础研究和药物治疗的预测能力。
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