哈佛Wyss研究所：利用人体肺芯片忠实地模拟辐射引起的肺损伤

　　研究人员开发了一种人体体外模型，该模型密切模仿了辐射诱导肺损伤(RILI)的复杂性和人类肺的辐射剂量敏感性。使用先前开发的微流体人肺泡芯片，内衬人肺泡上皮细胞和肺毛细血管细胞，在体外重建肺泡-毛细血管界面，研究人员重现了RILI的许多特征，包括肺组织中辐射诱导的DNA损伤，基因表达的细胞特异性变化，炎症和肺上皮细胞和血管内膜内皮细胞的损伤。通过评估两种药物抑制急性RILI影响的潜力，研究人员证明了他们的模型作为一种先进的、与人类相关的临床前药物发现平台的能力。

　　

近年来，日本排辐射问题引起了全球范围内的关注和担忧。由于历史原因和技术限制，日本的核能发展面临着诸多挑战和困难。排辐射问题的妥善解决不仅关系到日本本土的环境安全和居民健康，也对全球生态环境产生着重要影响。肺是人体对辐射最敏感的组织之一。核事故后暴露在高剂量辐射下的人会产生辐射诱发性肺损伤(RILI)，影响肺部许多细胞类型的功能，引起急性和持续性炎症，从长远来看，肺组织增厚和瘢痕形成，即纤维化。RILI也是对癌症患者进行放射治疗以杀死其体内的恶性细胞的常见副作用，并且可以限制医生可以用来控制肿瘤的最大辐射剂量，以及显着损害患者的生活质量。

在放射治疗期间给患者服用的消炎药可以减轻肺部的炎症，也就是肺炎，但并不是所有患者的反应都一样好。这是因为RILI是一种复杂的疾病，患者之间存在差异，并受到风险因素的影响，例如年龄、肺癌状态和其他先前存在的肺部疾病，以及可能的患者基因构成。一旦发生核事故，通常会一次性暴露在高剂量的辐射中，但目前还没有医疗对策可以预防和保护肺部和其他器官免受损害，这使其成为美国食品和药物管理局(FDA)的一个关键优先事项。

要更深入地了解辐射在肺部和其他器官引发的病理过程(这是发现医疗对策的基础)，一个主要障碍是缺乏实验模型系统，无法准确地概括这种损害是如何在人体中发生的。小动物临床前模型不能产生人类病理生理学的关键特征，也不能模拟在人类中观察到的剂量敏感性。尽管非人类灵长类动物模型被认为是辐射损伤的黄金标准，但它们供应短缺，成本高昂，并引发了严重的伦理问题;它们也不是人类，有时无法预测药物进入临床时观察到的反应。

现在，哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和波士顿儿童医院的一个多学科研究小组，由Wyss创始主任Donald Ingber医学博士领导，在FDA资助的项目中，开发了一种人体体外模型，该模型密切模仿了RILI的复杂性和人类肺部的辐射剂量敏感性。肺泡是肺和血液之间进行氧气和二氧化碳交换的小气囊，也是放射性肺炎的主要部位。使用先前开发的微流体人肺泡芯片，内衬人肺泡上皮细胞和肺毛细血管细胞，在体外重建肺泡-毛细血管界面，研究人员重现了RILI的许多特征，包括肺组织中辐射诱导的DNA损伤，基因表达的细胞特异性变化，炎症和肺上皮细胞和血管内膜内皮细胞的损伤。通过评估两种药物抑制急性RILI影响的潜力，研究人员证明了他们的模型作为一种先进的、与人类相关的临床前药物发现平台的能力。研究结果发表在《Nature Communications》杂志上。

Ingber说:“更好地了解辐射损伤是如何发生的，并找到新的治疗和预防策略，这是一个多方面的挑战，面对核威胁和当前癌症治疗的现实，需要全新的解决方案。我们开发的肺芯片模型利用了我们广泛的微流体器官芯片培养专业知识，结合新的分析和计算药物和生物标志物发现工具，为我们解决这个问题提供了强有力的新进展。”

体外RILI模型

人肺泡芯片是一种双通道微流体培养系统，在其中一个通道中培养原代人肺泡上皮细胞，使其暴露在空气中，就像它们在肺中一样。它们还与平行通道中的初级人肺毛细血管内皮细胞的多孔膜相连接，该通道不断灌注含有循环人体免疫细胞的血液样营养介质，这也有助于辐射反应。这种精心设计的、免疫活性的肺泡-毛细血管界面也经历了模拟实际呼吸运动的循环机械运动。重要的是，这种活呼吸肺芯片可以暂时暴露在临床相关剂量的辐射中，然后在一段时间内研究其影响。

当肺泡芯片暴露于增加剂量的辐射时，芯片上模拟的细胞、组织和器官水平的反应与临床观察结果密切相关，重要的是，为RILI提供了新的见解。在一次放射治疗后，研究小组可以观察到细胞染色体的断裂与相关DNA修复机制的激活，其数量随着应用于肺泡芯片的放射量的增加而增加。这与活性氧水平的增加是平行的，活性氧已知也会破坏DNA，以及许多其他类型的分子。细胞开始增大，这种现象被称为肥大，常见于体内肺泡损伤，由紧密堆积的内皮细胞和上皮细胞组成的屏障开始破裂，液体流过内皮通道，积聚在上皮通道中。

“有趣的是，我们在放射治疗后的7天内绘制了多种促炎细胞因子的水平，这对于评估即将到来的肺部辐射损伤尤为重要。患者的RILI症状在暴露一周后才开始出现，但之前的炎症无法在患者中捕捉到，”第一作者Queeny Dasgupta博士说，他作为Ingber团队的博士后研究员领导了该项目，现在是3D系统公司systembio的科学家。“一旦患者出现明显的RILI，通常为时已晚，无法挽救受影响的肺组织。”

研究小组发现，在接受高剂量辐射6小时后，第一批促炎细胞因子开始上调，并且它们的数量和水平一直持续增加，直到第7天，也就是他们的观察期结束。重要的是，这种趋势在血管内皮细胞中比肺上皮细胞明显得多。同时，随着时间的推移，肺泡芯片的细胞损伤在上皮细胞中被逆转，但在内皮细胞中却持续存在，这与发现RILI主要影响肺泡血管内皮的临床观察结果一致。

从辐射损伤到基因再到靶标

为了更系统地了解肺芯片中辐射引发的细胞变化，并确定潜在的药物靶点，研究人员分析了上皮细胞和内皮细胞随时间的完整基因表达程序。这使得他们不仅可以进一步定义细胞特异性的早期和晚期炎症反应，而且还可以生成全基因组基因表达数据，他们可以将这些数据输入基于机器学习的计算算法，称为“因果关系感知发现网络模型”(NeMoCAD)。NeMoCAD之前使Ingber的团队能够预测治疗靶点和重新利用药物来逆转疾病状态。通过分析，他们锁定了一种名为HMOX1的基因，这种基因与抗氧化反应有关，其表达在辐射暴露后立即上调，并在7天的研究过程中保持较高水平。

“我们发现，使用肺泡芯片中的洛伐他汀进一步增加HMOX1水平，可以在放疗后早期减少DNA损伤和细胞肥大，类似于抗炎药强的松龙，我们将其用作阳性对照。然而，后来洛伐他汀加重了内皮屏障的破坏。事实上，通过实验在后期阶段抑制HMOX1的表达，我们可以部分逆转其后期的不良影响。这表明HMOX1的功能确实与RILI的发展非常相关，但也表明针对HMOX1和其他潜在过程相关的靶标可能需要更平衡的治疗方法。”

这项研究是威斯研究所(Wyss Institute)一项更大活动的一部分，该活动旨在调查几个器官和组织的急性辐射损伤。该小组先前也在肠道和骨髓的器官芯片模型中模拟了急性辐射损伤，每种模型都表现出与人类相匹配的不同的辐射剂量敏感性。Ingber的团队还推测，一个器官的辐射损伤也可能影响其他器官的功能，并计划在未来通过微流体连接不同的器官芯片来解决这种可能性。他们还认为，有其他肺部疾病倾向的患者对辐射的超敏感性可以在个性化的肺泡芯片中建模。

A human lung alveolus-on-a-chip model of acute radiation-induced lung injury