CN BIO 器官芯片客户应用系列（二）：疾病建模（Disease modeling）

为帮助研究者更深入地理解器官芯片技术的应用价值，将其整合至自身研究流程，拓展研究的深度与广度，我们将从用户视角出发，分期展示 CN Bio 核心客户基于器官芯片模型落地的人体相关应用案例，这些示例包括但不限于安全性毒理学（点击查看）、疾病建模以及 ADME 药理学等。

从疾病表型到机制研究：CN Bio PhysioMimix 在疾病建模中的 7 个应用案例

疾病研究的难点，往往不只是“把疾病做出来”，而是如何在体外重建与疾病相关的关键生物学特征，并进一步观察疾病发生、发展以及干预后的变化。

传统二维细胞培养能够提供较为简化的研究环境，但对于涉及复杂细胞相互作用、组织结构、免疫反应和器官间通讯的疾病，仅依赖单一细胞类型往往难以呈现完整的疾病特征。

微生理系统（Microphysiological Systems，MPS）则提供了另一种研究思路：通过 3D 培养、动态灌流、多细胞共培养以及不同组织之间的连接，在体外构建更加接近人体生理环境的疾病模型。

从代谢性肝病到炎症性肠病，从 HBV 感染到 COPD，再到患者来源的肿瘤和 CAR-T 细胞治疗、乳腺癌，以下 7 个研究案例展示了 PhysioMimix 在疾病建模领域的不同应用方向。

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，部分原资料可点击直接下载（点击查看），也可直接联系我们获取。

七个案例推荐浏览表

案例一：MASLD×肝脏：把“代谢异常”变成可以观察的疾病表型

代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）并非单一因素造成，而是与胰岛素、葡萄糖、游离脂肪酸以及炎症等多种因素相互作用有关。因此，疾病模型需要的不只是“肝细胞脂肪变多”，还需要能够呈现与代谢异常相关的功能变化。

MIT 与 NovoNordisk 等团队利用 CN Bio LiverChip/PhysioMimix 构建人源肝脏 MPS，通过调整胰岛素、葡萄糖和游离脂肪酸水平，在原代人肝细胞中建立 MASLD 相关代谢环境[1]。

研究观察到，高胰岛素条件下，肝细胞逐渐出现胰岛素摄取下降、AKT 信号响应减弱以及葡萄糖生成调控异常等变化，并伴随脂质积累和炎症相关因子变化。

进一步使用 resmetirom 干预后，肝细胞脂肪蓄积得到改善，部分胰岛素相关功能得到恢复，但同时观察到 CXCL1 和 IL8 等炎症相关信号升高。

案例价值：

从单一“脂肪堆积”扩展到胰岛素抵抗、代谢重编程和炎症表型，为 MASLD 机制研究及药物干预研究提供了人源 MPS 模型。

案例二：IBD×肠-肝-免疫轴：当一个器官的疾病，开始影响另一个器官

炎症性肠病（IBD）的研究有一个特殊难点：肠道炎症并不是孤立发生的，它与肝脏代谢以及免疫系统之间存在复杂联系。

MIT 团队建立了一个由溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)患者来源肠道 MPS、肝脏 MPS 以及循环 Treg/Th17 细胞组成的多器官模型，用于研究肠-肝-免疫轴[2]。

研究将短链脂肪酸（SCFAs）引入这一体系后，得到一个颇有意思的结果：在缺少活化 CD4+T 细胞时，SCFAs 可以降低 UC 肠道的先天免疫激活；但在急性 T 细胞介导的炎症环境中，SCFAs 反而增强 CD4+T 细胞效应功能，并伴随肠屏障破坏及肝脏损伤。

这说明，同一种代谢物在不同疾病环境和免疫状态下，可能呈现不同的生物学效应。

案例价值：

将单器官疾病研究进一步延伸至肠道—肝脏—免疫系统之间的相互作用，为研究 IBD 复杂炎症机制提供了新的体外模型思路。

案例三：HBV×肝脏：让肝炎病毒感染进入“长期观察”模式

HBV 研究长期面临两个问题：一方面，原代人肝细胞在传统 2D 培养中容易发生去分化；另一方面，HBV 感染需要较好的宿主细胞状态和适宜的微环境。

Imperial College London 团队利用 3D Liver-on-a-Chip 培养原代人肝细胞，并进一步加入 Kupffer 细胞建立共培养模型[3]。

研究显示，3D 培养体系可以维持肝细胞功能较长时间，白蛋白分泌可持续观察至培养第 40 天。在 HBV 感染研究中，病毒 DNA 及其他病毒标志物可以在感染后较早被检测到，同时能够通过免疫荧光观察 HBsAg 和 HBcAg。更值得关注的是，该 3D 模型支持 HBV 感染及 cccDNA 形成，为长期观察病毒感染过程和评估针对 cccDNA 的干预策略提供了研究基础。

案例价值：

从短期 2D 感染实验走向长期、动态的人源肝脏感染模型，可用于 HBV 感染机制、药物研究及宿主反应分析。

案例四：COPD×肺：不只是“模拟疾病”，还要呈现疾病的组织特征

慢性阻塞性肺疾病（Chronic obstructive pulmonary disease，COPD）是一种涉及气道结构和功能变化的慢性肺部疾病。建立疾病模型时，如果只关注细胞活力，很难体现疾病相关的组织特征。

University of Sydney 的研究团队利用 COPD 患者来源的原代人支气管上皮细胞（DHBE），分别建立静态单培养、静态共培养以及 CN Bio 动态共培养模型[4]。

结果显示，CNBio 肺芯片动态 DHBE-NHLF 模型出现了不连续的紧密连接、杯状细胞增多以及纤毛减少等变化，与 COPD 相关病理特征具有一定对应关系。与此同时，疾病模型中 IP-10 和 IL-6 等炎症相关因子水平升高，为模型的炎症表型提供了进一步的分子层面证据。

案例价值：

通过动态培养+患者来源细胞+组织形态+炎症因子的组合，建立具有多维疾病表型的 COPD 体外模型，为呼吸系统疾病机制和干预研究提供研究基础。

案例五：结直肠癌×放疗：从患者来源肿瘤类器官，到体外放疗模型

对于肿瘤研究而言，同一种治疗方案在不同患者之间可能产生不同反应，因此，患者来源肿瘤模型受到越来越多关注。

比利时核研究中心的团队建立了患者来源直肠肿瘤类器官（PDTO）衍生单层模型，并进一步整合到 CN Bio PhysioMimix Barrier Plate 和 Core MPS 中，用于模拟结直肠癌放疗。该方法包括 PDTO 培养、单层化、MPS 整合以及分次放疗等步骤[5]。

与传统细胞系相比，患者来源类器官能够保留更多患者相关特征，因此该模型不仅可以用于放疗研究，也可进一步用于毒性评价以及辅助治疗方案筛选。

该研究的一个重要特点，是将患者来源肿瘤组织与动态 MPS 环境结合，使放疗研究不再局限于静态细胞培养。

案例价值：

为患者来源肿瘤模型+动态 MPS+放疗的组合提供了具体实施路径，可用于肿瘤放疗相关研究和治疗方案探索。

案例六：黑色素瘤×CAR-T：CAR-T 真正到达肿瘤之前，要先经过哪些“关卡”？

CAR-T 细胞治疗实体瘤时，需要经历一系列连续过程：进入循环、接触血管内皮、跨越内皮屏障、进入肿瘤组织与肿瘤细胞发生作用。

Melomanes 欧洲研究联盟利用 CN Bio PhysioMimix Core 建立了3D 灌流黑色素瘤芯片模型（点击查看）。模型采用 HUVEC 建立血管内皮屏障，并利用 SK-MEL-5 黑色素瘤细胞构建肿瘤模型，同时加入 anti-HLA-GCAR-T 细胞。通过 CXCL10/IP-10 趋化梯度，研究人员观察 CAR-T 细胞跨内皮迁移，并进一步检测肿瘤细胞死亡。

结果显示，CAR-T 细胞的迁移受到内皮活化状态、趋化因子和灌流条件影响；而肿瘤细胞裂解则与效靶比、基底侧灌流以及靶抗原表达相关。CAR-T 细胞完成跨内皮迁移后仍保持细胞毒作用，但杀伤程度与直接共培养存在差异。

案例价值：

把 CAR-T 治疗中的“血流→内皮屏障→跨膜迁移→肿瘤杀伤”连续过程放入动态体系中，为实体瘤细胞治疗研究提供了新的实验场景。点击此处下载原资料（点击查看）。

案例七：休眠乳腺癌细胞是如何被唤醒，形成肝转移灶的？

部分乳腺癌细胞扩散至肝脏后进入休眠，可潜伏数年，受特定信号刺激后重新增殖形成转移灶，唤醒机制有待阐明。

匹兹堡大学的研究团队利用 CN Bio LiverChip 全人源肝脏微生理芯片(MPS)搭建肝转移模型，使用人源肝脏细胞构建肝脏微环境，导入标记的三阴性乳腺癌 MDA-MB-231 细胞；经阿霉素获得休眠癌细胞，施加 IP-10（CXCL10）及 CXCR3 抑制剂 AMG-487 处理，结合 2D 细胞实验与临床数据分析[6]。

结果显示：IP-10 高表达和晚期乳腺癌患者预后差相关，三阴性乳腺癌中表达水平相对更高；芯片体系下 IP-10 可剂量依赖唤醒休眠肿瘤细胞，该作用可被抑制剂阻断；但 IP-10 直接刺激癌细胞，不会改变其增殖、迁移、侵袭能力，提示 IP-10 通过肝脏微环境宿主细胞间接唤醒休眠癌细胞。

案例价值：

借助器官芯片独特的共培养微环境优势，完整复现“肿瘤肝定植→休眠→趋化因子激活微环境→癌细胞复苏”病理链条；普通 2D 实验无法复现该间接唤醒效应，该模型为解析肿瘤休眠复发机制、开展靶点筛选提供了更贴近人体的预临床工具。

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（invivo）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，欢迎您点击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

应用案例参考资料