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利用器官微生理系统模拟新冠病毒感染和肺组织损伤研究获进展

  来自中国科学院大连化学物理研究所的一组研究人员将与来自中国科学院昆明动物学研究所的一组研究人员一起使用器官芯片技术模拟肺组织,建立了体外微生理系统。肺脏新型冠状病毒感染引起的损害和免疫反应人体研究新冠状病毒的致病机理和快速药物评估是一项新的策略和新技术。

  新的冠状病毒(SARS-CoV-2)感染已引起大流行,确诊的新冠状肺炎病例仍在增加,对人类健康构成严重威胁。肺是SARS-CoV-2感染的主要目标器官。新发冠状动脉粥样硬化的临床症状根据严重程度而有所不同,主要是发烧,全身不适和干咳。重病患者涉及多个器官,也可能导致多器官衰竭。研究表明,由人体免疫系统反应过度引起的“炎性因子风暴”是使患者从轻度变为重度的主要原因之一。目前,大多数新的冠状肺炎临床治疗方法都是基于综合治疗,但某些药物仍供不应求。在新的冠状病毒的研究中早就使用了细胞和动物模型,但是它们仍然有一些局限性。在这一阶段,仍然缺乏能够反映人类对组织和器官水平上新的冠状病毒感染的反应的研究模型。这也是严重限制目前新的冠状病毒药物开发过程的瓶颈之一。

  Organ芯片是一种新的,最新的交叉科学技术,结合了物理学,化学,工程学,生物学和其他跨学科方法,可以将多种人体组织和器官带入少数几种流体控制中的一种芯片,可以用来建造。大小为平方厘米。模型用于反映人体器官的关键结构和生物学功能。特别地,可以以前所未有的方式重现人体对各种外部因素的反应,并且有可能被广泛应用于生命科学研究,疾病研究,新药开发等。肺泡是人肺的基本功能单元,肺泡的毛细屏障对于维持肺中的气体交换和抵抗外部病原体感染至关重要。在这项研究中,研究人员首先使用器官芯片技术从生物学角度构建了人的肺泡功能单元,然后进行了新的冠状病毒感染实验。研究人员已经从人肺组织的复杂结构和功能特性入手,以多腔室设计模拟了可灌注微芯片中人肺泡组织的微环境。在实验中,在芯片多孔膜的微环境(肺泡侧/血管侧)中动态共培养了多个人类肺泡上皮细胞,肺微血管内皮细胞和人类外周血免疫细胞。包括人类衍生的细胞,机械液,组织界面等。已经建立了复杂的因素来在芯片上进行新的冠状病毒感染实验。结果表明,当芯片的肺泡侧上皮细胞暴露于新的冠状病毒时,在上皮细胞中会看到大量病毒复制,从而破坏了肺组织屏障的完整性。转录组分析显示,SARS-CoV-2感染在两种细胞中引起不同的反应机制,分别激活上皮细胞中的I型干扰素途径和内皮细胞中的JAK-STAT途径。根据病毒载量的计算,人肺泡上皮细胞对病毒高度敏感,是病毒复制的主要部位,但人肺微血管内皮细胞的病毒载量低,内皮被病毒间接感染。细胞提示它们可能会影响细胞。此外,病毒感染可能会增加人类外周血免疫细胞对芯片侧血管内皮细胞的附着,并释放出许多炎症因子(IL-1β,IL-6等)。 ,IL-8,TNF-α)),提示在肺组织中发生新的冠状病毒感染可能会激活人类免疫细胞释放多种炎症因子,并诱发肺微血管内皮细胞的损害。使用该模型,研究人员还进行了抗病毒化合物功效的初步研究和评估。

  这项研究使用器官芯片技术在组织水平上建立了人类新冠状肺炎疾病模型。它模拟了体外新冠状病毒感染引起的肺屏障功能障碍,免疫细胞粘附,炎性因子释放和肺内皮细胞损伤。一系列重要的病理生理过程反映了新冠状病毒感染中多细胞复合因子介导的病原体-宿主相互作用。该模型系统具有建模周期短,成本低,人为来源,易于监测等特点,可以获取常规方法难以获得的动态生物学信息,可以扩展到研究新的器官性冠心病的机制。

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