CN BIO 器官芯片客户应用系列（一）：安全毒理学（Safety Toxicology）

器官芯片（或微生理系统）模型由人类细胞和组织构成，其表型和功能能够可靠地模拟体内情况。

器官芯片可以用于药物研发的全流程。通过在实验室中重现人类生理，这些模型可用于多种用途，以加深我们对疾病机制的理解，发现潜在的治疗靶点，并协助安全有效地开发潜在的治疗方法。

从 2012 年起，CN Bio 已有十几年的器官芯片开发相关经验，其用户分布在全球的 TOP16/20 药企、科研机构以 FDA 各部门中。

为了让研究者对该项技术的应用有更深入的了解以便将器官芯片整合入自己的研究流程，提升研究的深度和广度，我们将以用户视角展开，分期展示 CN Bio 重点客户对器官芯片模型所提出的与人类相关的用途示例，这些示例包括但不限于安全性毒理学、疾病建模以及 ADME 药理学等。

从“检测毒性”到“预测人体反应”

CN Bio PhysioMimix 在安全性毒理学中的 4 个应用案例

药物研发中的安全性评价，正在面临一个越来越现实的问题：传统体外模型检测到的结果，究竟有多大程度能够代表人体？

药物进入人体后，并不是简单地与某一种细胞发生作用。药物可能经过肝脏代谢后产生新的活性代谢物，也可能影响复杂的组织屏障、细胞分化和器官功能。因此，对于遗传毒性、胃肠道毒性、肺毒性和肾毒性等研究，仅依赖简单的 2D 细胞培养，有时难以充分模拟真实的人体微环境。

微生理系统（Microphysiological Systems, MPS）通过引入动态流体环境、组织结构以及更加接近人体的细胞功能，为安全性毒理研究提供了新的研究路径。

以下 4 个来自不同研究团队的应用案例（浏览表），分别从肝脏、肠道、肺和肾脏切入，展示 PhysioMimix 在安全性评价中的应用潜力。

本文所有素材均由曼博生物根据用户公开的资料整理而成，原资料可点击直接下载（点击查看）。

四个案例推荐浏览表

案例一：当“遗传毒性”不再只是一个终点——肝脏芯片同时观察 DNA 损伤、染色体损伤和基因突变

遗传毒性评价面临的一个关键挑战是：有些化合物本身并不是直接的遗传毒物，而需要经过肝脏代谢后才产生遗传毒性。

Charles River Laboratories 和 TwinStrand Biosciences 合作建立了基于 CN Bio PhysioMimix T12 的 Liver-on-Chip 模型，将原代人肝细胞（PHH）或 HepaRG 与 TK6 细胞进行共培养，在动态微流体环境下模拟肝脏与淋巴细胞之间的相互作用（图 1）[1]。

研究一大的亮点，是在同一体系中观察 3 种遗传毒性终点：肝细胞中的 DNA 链断裂（Comet assay）、TK6 细胞中的染色体损伤/丢失（Micronucleus assay）以及基因突变（Duplex Sequencing）。同时，通过白蛋白、尿素和 CYP 活性等指标确认肝模型保持代谢功能。

结果显示，直接遗传毒物 MMS 和 EMS 在多个终点均产生响应；需要代谢活化的 CP 和 B[a]P 也分别在微核/突变和 DNA 损伤终点观察到阳性信号，提示该模型能够利用人源肝脏代谢能力捕捉部分 pro-genotoxicant 的风险。

案例价值：

从“单一终点检测”走向人源代谢+多终点遗传毒性评价，为更加整合的遗传毒性研究提供了新的 MPS 思路（点击查看原始资料）

案例二：Caco-2 检测不到的胃肠道毒性，人源肠道类器官却捕捉到了

胃肠道毒性是药物早期临床研究中常见的不良事件之一。传统 Caco-2 模型虽然应用成熟，但单一细胞系难以完整重现人体肠道复杂的细胞组成和组织结构。

Pharmaron（康龙化成）建立了人源肠道类器官（HIO）及其衍生屏障模型（图 2）[2]。

研究显示，HIO 能够保留接近肠道 crypt-villus 的结构，并包含多种主要肠上皮细胞谱系。在一组具有不同临床腹泻发生率的药物测试中，HIO 对胃肠道毒性的预测敏感性达到 78%，而 Caco-2 仅为 22%，，两种模型均表现出良好的特异性，未观察到明显的假阳性结果。

其中，Trametinib 在 Caco-2 中的 IC50 大于 1000 nM，而 HIO 模型约为 26.2 nM；5-FU 在 Caco-2 中的 IC50 大于 100,000 nM，而 HIO 约为 1,681 nM。

进一步结合动态 gut-on-a-chip 后，Trametinib 在临床相关 Cmax 浓度下即可观察到屏障损伤，并出现更明显的 ZO-1 紧密连接破坏和 MUC2 异常。

案例价值：

从传统 2D 细胞模型走向人源类器官+动态屏障模型，提升胃肠道毒性研究的人体相关性（点击查看原始资料）

案例三：肺毒性不只是“细胞死没死”——气道模型捕捉杯状细胞变化

药物诱导性肺损伤往往涉及复杂的气道组织变化。仅观察细胞活力，可能无法完整反映早期组织毒性。Pharmaron 建立了 3D 人源支气管类器官（HBO）和 NHBE 气液界面（ALI）模型，并进一步利用 CN Bio PhysioMimix 建立灌流 bronchi-on-a-chip 模型。

HBO 经过 14 天分化后，可以形成具有杯状细胞和纤毛细胞特征的成熟气道结构；灌流培养相比静态培养也表现出更好的分化结果。随后，研究人员使用具有肺毒性报道的 afatinib 进行验证。

在分化 HBO 模型中，afatinib 处理后表现出约 15.18 μM 的 IC50，同时杯状细胞标志物 MUC5AC 呈剂量依赖性下降。在 NHBE ALI 模型中，虽然 TEER、通透性和细胞活力没有表现出明显的剂量依赖性变化，但 MUC5AC 表达和杯状细胞组成却出现了明显下降。这意味着，组织功能和细胞分化变化可能先于明显的细胞毒性出现。

案例价值：

肺毒性评价不应只关注细胞活力，还可以进一步观察杯状细胞、纤毛细胞以及黏液纤毛功能等组织表型（点击查看原始资料）

案例四：同一种化合物，为什么不同模型给出的肾毒性结论可能完全不同？

如果说前三个案例关注的是“如何建立更接近人体的模型”，那么这个研究进一步提出了一个重要问题：不同体外模型的生理相关性，会不会直接影响毒性预测结果？

Texas A&M University 联合 Roche、Sanofi、Merck、Unilever、NIEHS 等机构，对 16 种化合物进行了比较研究，将肾近端小管上皮细胞（HRPTEpC）分别培养于 96 孔板、静态 Transwell、PhysioMimix T12 流体 Transwell 以及 OrganoPlate 中，并通过 LDH、TEER、药物转运和转录组等指标进行评价（图 4）。

结果显示，96 孔板对肾毒性信号的响应相对有限；相比之下，Transwell、OrganoPlate 和 T12 等具有动态或更接近生理环境的模型呈现出更突出的预测表现。其中，PhysioMimix T12 在敏感性、特异性、准确率和 MCC 等多项指标中均展现出较好的综合表现。

研究还发现，在该肾毒性研究中，TEER 对早期毒性变化的响应相对有限；相比之下，LDH 在较低浓度下即可观察到毒性相关变化。

案例价值：

模型选择不仅关系到实验设计，也会影响毒性评价结果。具有动态培养环境和生理相关特征的 MPS，为肾毒性研究提供了新的模型选择与评价思路（点击查看原始资料）

PhysioMimix：推动人体相关药物研发进入实验室

CN Bio 的 PhysioMimix 是一款经过 FDA 验证过的微流控器官芯片系统，该系统以高预测性人体器官模型革新药物的研发。

• PhysioMimix 易于部署、灵活适配、快速扩展。全球前 20 大药企中，已有 16 家正在使用。该系统已经过单器官、多器官以及高通量应用验证，能够通过同一套系统满足不同研究需求。
• 简化的操作流程帮助研究人员快速上手；灵活的系统设计和可扩展性确保获得稳定可靠的生理学研究结果。
• PhysioMimix 能够高度模拟人体生理环境，是区别于其他系统的创新工具。通过在体外重建人体器官、组织及生物学过程，提高体外研究结果与体内（in vivo）研究结果之间的转化相关性。

上海曼博生物医药科技有限公司为中国用户提供 CN Bio 全面专业的支持，欢迎您查看我们近期更新版本的 PhysioMimix Core 彩页（点击查看），我们期待和您的直接交流。

扩展阅读

应用案例参考链接