器官芯片并非硅電子芯片做出的人體器官的模擬器，而是含有人體活體細胞的生物芯片，當然，這種芯片比類器官更小。

器官芯片在生命研究、疾病治療、藥物和疫苗的研發方面已經顯示了越來越重要的作用和巨大的生命力。

近日，麻省理工學院的研究人員在《Science Advances》期刊上發表了題為“Human physiomimetic model integrating microphysiological systems of the gut, liver, and brain for studies of neurodegenerative diseases”的論文。

我們的大腦與消化道在許多方面有著緊密聯系。比如當你感到緊張時會感覺胃部疼痛；當腸道發出饑餓信號時，我們會感到煩躁。最近有研究甚至表明：生活在我們腸道中的細菌會影響某些神經系統疾病。

在動物（如小鼠）中對這些復雜的相互作用進行建模非常困難，因為它們的生理學與人類的生理學有很大不同。腸腦軸就是腸管的中軸線，它位于食管、胃臟、小腸與結腸內層組織的鞘中，含有神經細胞、神經傳遞質、蛋白質和復雜的環行線路。

為了幫助研究人員更好地理解腸腦軸，麻省理工學院的研究人員開發了一種“器官芯片”系統，該系統復制了大腦、肝臟和結腸之間的相互作用。使用該系統，研究人員可模擬腸道微生物對大腦組織以及帕金森病患者的組織樣本的影響。

他們發現，腸道中微生物產生的短鏈脂肪酸被運輸到大腦中，對健康和患病的腦細胞產生不同的影響。

近年來，Griffith的實驗室一直在開發微生理系統小型設備，可用于生長通過微流體通道連接的不同器官的工程組織模型。Griffith說，在某些情況下，這些模型可以提供比動物模型更準確的人類疾病信息。

在去年發表的一篇論文中，Griffith和Trapecar使用了微生理系統來模擬肝臟和結腸之間的相互作用。在該研究中，他們發現腸道中微生物產生的分子短鏈脂肪酸（SCFA）在某些情況下可加劇與潰瘍性結腸炎相關的自身免疫炎癥。SCFA，包括丁酸酯，丙酸酯和乙酸酯，也對組織產生有益作用，包括增強免疫耐受性。

在這項新研究中，麻省理工學院的研究小組決定將大腦和循環免疫細胞添加到他們的多器官系統中。為此，他們與Whitehead研究所的Jaenisch實驗室合作。Jaenisch以前已經開發出一種方法，可將帕金森氏病患者的成纖維細胞轉化為多能干細胞，然后將其誘導分化為不同類型的腦細胞-神經元，星形膠質細胞和小膠質細胞。麻省理工學院的研究人員將其用于帕金森氏癥模型的細胞攜帶一種突變，該突變導致一種稱為α突觸核蛋白的蛋白質蓄積，從而損害神經元并引起腦細胞炎癥。Jaenisch的實驗室還產生了已糾正此突變的腦細胞。Griffith和Trapecar首先在微生理系統中研究了這兩組腦細胞，，經過校正的細胞顯示出更多的炎癥。帕金森氏細胞的脂質和膽固醇代謝能力也相對受損。

然后，研究人員使用允許免疫細胞和營養物質（包括SCFA）在它們之間流動的通道，將腦細胞連接到結腸和肝臟的組織模型。他們發現，對于健康的腦細胞而言，接觸SCFA是有益的，并有助于它們成熟。但是，當帕金森氏病患者的腦細胞暴露于SCFA時，其有益作用就消失了。相反，細胞經歷了更高水平的蛋白質錯誤折疊和細胞死亡。

即使從系統中刪除了免疫細胞，也可以看到這些作用，導致研究人員假設這些作用是由脂質代謝的變化介導的。Trapecar說：“短鏈脂肪酸似乎可以通過影響脂質代謝而不是直接影響某些免疫細胞群而與神經退行性疾病聯系在一起。”

研究人員還計劃對可能受腸道微生物組影響的其他類型的神經系統疾病進行建模。Griffith說，這些發現為人類組織模型可以產生動物模型無法獲得的信息提供了支持。她現在正在研究該模型的新版本，其中將包括連接不同組織類型的微血管，從而使研究人員能夠研究組織之間的血流如何影響它們。

Griffith還說：“我們應該真正推動這些技術的發展，因為將更多的人類特征引入我們的模型非常重要。我們已經能夠開始獲得關于人類狀況的見解，而這些見解很難從小鼠身上獲得。”

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