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• 花匠小妙招
• 2025-12-28 05:40

期刊：Microsystems & Nanoengineering (IF=9.9)

发表日期：2025年5月14日

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00933-3

大连理工大学罗勇副教授及苏州大学张秀莉教授团队开发了一种创新的多器官微生理系统（MPS），通过模拟体内血管网络和排泄系统的功能，实现了18个器官的长期共培养。该系统能够模拟体内药物的分布、代谢和毒性，为药物发现提供了一种高效、精准的体外平台，减少了对动物实验的依赖，并为多器官相互作用和药物作用机制研究提供了新的技术手段。该研究成果以“An eighteen-organ microphysiological system coupling a vascular network and excretion system for drug discovery”为题，发表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。

背景知识：

药物研发过程中，传统体外模型和动物实验存在局限性，如无法准确模拟人体复杂的生理环境，导致药物筛选效率低、成本高。MPS作为一种新兴技术，通过模拟器官间的相互作用，提供了一种更接近体内环境的模型。然而，现有的MPS大多仅包含少数几种器官，且缺乏血管和排泄系统，限制了其生理准确性和应用范围。

研究方法：

l 多器官微生理系统的设计与构建：研究团队设计了一种包含18个器官的MPS，通过模拟体内血管网络和排泄系统，实现了多种器官微组织的长期共培养。该系统采用分层结构，包括“静脉”、“动脉”和“器官”三层，利用激光蚀刻技术制造多层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微通道，并在器官层表面涂覆超疏水材料，防止微组织逃逸。通过精确设计微通道网络，实现了与体内相似的“血液”分布比例，为微组织提供稳定的营养和氧气供应。

l 排泄系统的集成与优化：为了模拟体内药物代谢和排泄过程，系统中引入了微搅拌器和单向流动的排泄系统。微搅拌器安装在模拟肾脏的“肾-1”区域，通过增强质量传递，提高药物和代谢废物的排泄效率。实验结果表明，排泄系统的加入显著提高了药物代谢的效率和准确性，使系统能够更真实地模拟体内环境。

l 药物评估与多器官相互作用研究：研究团队利用该系统进行了药物筛选和毒性评估实验。以卡铂为模型药物，系统成功模拟了药物的两室药代动力学特征，并通过长期培养验证了不同器官对药物分布和毒性的动态响应。此外，团队还构建了多病共存模型，评估了多种药物在联合使用时对不同器官的综合治疗效果，展示了系统在多药联用研究中的潜力。

关键结论：

l 该MPS能够模拟体内复杂的生理环境，为药物发现提供了一种高效、精准的体外平台。

l 系统通过模拟血管和排泄系统，显著提高了药物筛选的准确性和效率，减少了动物实验的使用。

l 该系统为研究多器官相互作用、药物作用机制和多药联用提供了新的技术手段，具有广泛的应用前景。

图片解析：

图1展示了MPS的整体设计与制造细节。系统采用分层结构，包括“静脉”、“动脉”和“器官”三层，通过激光蚀刻技术制造多层PMMA微通道，并在器官层表面涂覆超疏水材料以防止微组织逃逸。该设计通过精确对齐微通道网络，实现了高效的营养和氧气供应，同时利用微搅拌器和排泄系统模拟体内药物代谢和排泄过程。

图2描绘了MPS中“血液”循环的路径和机制。通过蠕动泵驱动培养液从培养液储罐流向各个器官，模拟体内血液循环的模式。该系统通过调整微通道网络的设计，实现了与体内相似的血液分布比例，为微组织提供稳定的营养和氧气供应，确保系统的长期稳定运行。

图3展示了MPS中排泄系统的性能。通过微搅拌器和单向流动机制，系统能够高效地模拟体内药物和代谢废物的排泄过程。实验结果表明，排泄系统的加入显著提高了药物代谢的效率和准确性，使系统能够更真实地模拟体内环境，为药物毒性研究提供了可靠的平台。

图4总结了MPS的长期运行能力，表明该系统能够在两个月内保持较高的微组织活性。实验结果表明，培养液中的白蛋白水平较高，尿素水平较低，这表明系统的生理功能稳定，能够为微组织提供持续的营养供应和废物排泄，验证了系统的长期稳定性和生理模拟能力。

图5展示了卡铂在MPS中的疗效评估结果。实验表明，卡铂对肿瘤细胞的杀伤效果与体内实验一致，且在MPS中观察到的细胞毒性较低，这归功于系统的排泄功能。该结果验证了MPS在药物筛选和毒性评估中的高效性和准确性。

图6展示了卡铂在MPS中的代谢动力学曲线，与体内实验结果高度一致。该曲线表现出两室药代动力学特征，表明MPS能够准确模拟体内药物的代谢过程。此外，MPS的实验数据相对标准偏差（RSD）远低于动物实验，显示出更高的实验重复性和可靠性。

图7展示了药物在不同器官中的分布和毒性动态关系。实验结果表明，不同器官对药物的分布和毒性反应存在显著差异，且通过MPS能够直观地观察到药物在不同时间点的分布变化及其对组织毒性的动态影响。这一结果为药物作用机制研究提供了重要的实验依据。

图8以热图形式展示了药物在不同器官中的瞬时浓度、累积浓度和毒性反应。通过对比不同器官的药物分布和毒性数据，能够更直观地评估药物的作用机制和潜在毒性风险。该热图直观地揭示了药物在多器官系统中的动态行为，为药物优化设计提供了关键信息。

图9展示了基于MPS的多病模型中，三种天然产物对老年大鼠多病模型的治疗效果。实验结果表明，联合使用胡椒碱、二氢槲皮素和毛蕊花糖苷在脑保护、肝保护和抗衰老方面具有协同效应，为多药联用研究提供了新的思路和实验依据。

总结与展望：

本文开发的多器官微生理系统通过模拟体内血管和排泄系统，成功实现了多种器官的长期共培养，并在药物筛选、毒性评估和多药联用研究中展现出显著优势。该系统不仅提高了药物研究的效率和准确性，还显著减少了对动物实验的依赖，为药物研发和生物医学研究提供了一种新的技术平台。

未来，该系统可以通过进一步整合消化、呼吸和神经系统等更多生理支持系统，进一步提高模拟体内环境的复杂性和准确性。此外，该系统还可以扩展到灵长类动物模型的开发，为药物从灵长类动物到人类的转化研究提供更可靠的体外模型，推动生物医学研究的发展。

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