在肝芯片平台上测量药物诱导肝损伤常用生物标志物的挑战与解决方案

《Toxicology Letters》：Challenges and Solutions in Measuring Commonly Used Biomarkers for Drug-Induced Liver Injury in a Liver-On-A-Chip Platform

　　肝芯片用于药物性肝损伤预测的生物标志物检测方法优化研究，发现传统ALT/AST活性测定在肝芯片中灵敏度不足，需改用ELISA检测蛋白浓度，而化学法尿素检测更具优势。这些结果为肝芯片标准化和DILI预测提供了新依据。

　　肝微生理系统（Liver-on-a-chip，简称肝芯片）是一种创新性的体外研究工具，旨在更有效地维持肝脏细胞的功能，并提升对药物诱导性肝损伤（Drug-Induced Liver Injury, DILI）的预测能力。在传统的体外培养方法中，肝脏细胞通常以单层或三层结构（如所谓的“三明治”培养）存在，这些方法在模拟体内环境方面存在一定的局限性。相比之下，肝芯片通过持续的灌流系统，使用类似血液流动的培养基，使得细胞在更接近体内条件的环境中生长，从而更真实地反映肝脏的生理功能。

肝芯片的研究尚处于发展阶段，尽管已有多个平台被开发出来，但其中只有少数实现了商业化。这为相关研究带来了新的机遇，同时也伴随着诸多挑战。例如，尽管肝芯片在维持肝脏功能方面展现出潜力，但其在实际应用中仍面临标准化和可重复性的问题。此外，一些常用的检测方法在肝芯片中的表现可能与传统细胞培养方法不同，从而影响实验结果的准确性。因此，对肝芯片中DILI相关生物标志物的检测方法进行优化，成为提升其在药物安全性评估中应用价值的关键步骤。

本文的研究重点在于对肝芯片中DILI生物标志物的检测方法进行优化。选择的生物标志物包括白蛋白（Albumin）、丙氨酸氨基转移酶（Alanine Aminotransferase, ALT）、天门冬氨酸氨基转移酶（Aspartate Aminotransferase, AST）、乳酸脱氢酶（Lactate Dehydrogenase, LDH）以及尿素（Urea）。这些生物标志物在临床中已被广泛使用，因此其在肝芯片中的检测方法优化具有重要的实际意义。

研究发现，在使用Emulate?肝芯片进行实验时，ALT的活性在24小时后显著下降，而AST的活性则没有明显变化。这一现象可能与肝芯片中细胞的动态环境有关，也可能是由于某些实验条件或细胞培养基的成分影响了ALT的活性。此外，当肝芯片中ALT和AST的蛋白浓度增加约20倍时，它们的活性仍然低于检测限（5 U/L），这表明仅依靠酶活性的检测可能无法准确反映肝细胞的健康状况。相比之下，LDH的活性在冻融循环后几乎完全消失，这提示LDH的检测方法在肝芯片中可能存在一定的局限性。而LDH的蛋白浓度则表现出较好的相关性，这可能使其成为评估肝细胞活力的一个更可靠指标。

对于尿素的检测，研究发现传统的酶法检测受到培养基补充成分的影响，导致检测限升高，从而无法准确反映药物对尿素合成的抑制作用。相比之下，化学法检测在特异性与灵敏度方面表现更优，能够更有效地评估尿素的水平变化。此外，白蛋白的检测方法也面临挑战，传统的染色结合法（dye-binding method）在灵敏度方面不足，因此需要采用更先进的酶联免疫吸附测定（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA）方法。

这些发现不仅有助于解释一些文献中关于DILI生物标志物检测方法的争议，还强调了在肝芯片中建立可靠、可重复的检测方法的重要性。由于肝芯片作为一种新型的体外研究工具，其在药物安全性评估中的应用仍处于探索阶段，因此需要更多的研究来验证其在不同生物标志物检测中的适用性。此外，这些研究结果也为未来的实验设计提供了参考，有助于提高肝芯片在药物研发和临床前评估中的科学价值。

在实际应用中，肝芯片的检测方法需要考虑到细胞培养基的成分、实验条件以及检测技术的适应性。例如，某些实验中出现的高背景信号可能影响LDH活性的检测，但通过采用ELISA方法，可以有效避免这一问题。这表明在选择检测方法时，需要综合考虑其特异性、灵敏度以及背景干扰等因素。此外，研究还发现，肝芯片中某些生物标志物的检测结果可能受到实验操作的影响，例如样本稀释、冻融循环等，因此需要在实验设计中进行严格的控制。

对于DILI生物标志物的检测，肝芯片提供了一种新的平台，使得研究人员能够在更接近体内条件的环境中评估药物对肝脏的影响。然而，这一平台的广泛应用仍需克服一些技术障碍。例如，某些生物标志物的检测方法在肝芯片中的表现可能不如传统细胞培养方法，这可能与肝芯片中细胞的动态环境、灌流系统的特性以及培养基的成分有关。因此，对这些生物标志物的检测方法进行优化，成为提升肝芯片在药物安全性评估中应用价值的重要任务。

此外，肝芯片的研究还涉及与制药行业和监管机构的合作。例如，美国食品药品监督管理局（U.S. Food and Drug Administration, FDA）的研究实验室与肝芯片制造商合作，对某些肝芯片平台进行了评估，以期用于药物肝毒性的检测。这些合作不仅有助于推动肝芯片技术的发展，还为未来的药物监管提供了新的工具和方法。然而，由于肝芯片技术尚处于发展阶段，其在药物安全性评估中的应用仍需进一步研究和验证。

本文的研究结果表明，在肝芯片中，某些DILI生物标志物的检测方法需要进行优化，以确保其在实际应用中的准确性。例如，ALT和AST的活性检测可能受到实验条件的影响，而LDH的活性检测则可能因冻融循环而受到影响。因此，在选择检测方法时，需要结合实验目的和条件，进行合理的调整和优化。此外，尿素和白蛋白的检测方法也需要进行改进，以提高其在肝芯片中的适用性。

这些研究结果不仅对肝芯片技术的发展具有重要意义，也为药物研发和临床前评估提供了新的思路。通过优化检测方法，研究人员可以更准确地评估药物对肝脏的影响，从而为药物的安全性和有效性提供更可靠的依据。此外，这些研究结果还可能促进肝芯片技术在更广泛的应用场景中的推广，例如在毒理学研究、药物筛选以及个性化医疗等领域。

在实验设计方面，肝芯片的检测方法需要考虑到细胞的动态环境、灌流系统的特性以及培养基的成分。例如，某些培养基中的成分可能影响生物标志物的检测结果，因此需要在实验过程中进行严格的控制。此外，肝芯片中的细胞培养时间也可能影响检测结果，因此需要对实验时间进行优化，以确保检测的准确性和可靠性。

综上所述，肝芯片作为一种新型的体外研究工具，在药物安全性评估中具有重要的应用潜力。然而，其在实际应用中的表现仍需进一步研究和优化。通过改进检测方法，研究人员可以更准确地评估药物对肝脏的影响，从而为药物的开发和监管提供更可靠的依据。此外，这些研究结果也为未来肝芯片技术的发展提供了重要的参考，有助于推动其在更广泛的应用场景中的推广和使用。