内置免疫系统的微型“肺芯片”问世

美国佐治亚理工学院与范德比尔特大学科学家合作，研发出全球首款内置免疫系统的微型“肺芯片”。该芯片能像真实器官一样主动防御病原体，有望革新疾病研究模式，替代动物实验，并为开发新疗法提供平台。相关成果发表于新一期《自然·生物医学工程》杂志。

传统肺芯片仅有邮票大小，内部刻有微通道并覆有人类细胞，可模拟部分肺部功能。本次研究的突破在于，为这些肺芯片添加了功能性免疫系统，使芯片能真实模拟肺部应对感染、炎症及自我修复的过程。

此前，为器官芯片引入免疫系统面临技术瓶颈：免疫细胞存活时间短，且难以模拟其在人体内的循环与组织互动。研究团队通过技术优化，实现了免疫细胞在芯片内的长期存活及防御功能。

这款芯片的核心思路很简单：尽可能还原人类小气道的生理结构和细胞组成，让它能像真实的肺一样应对病毒感染。芯片采用了 “双层结构+中间膜” 的设计，听起来复杂，其实可以理解为 “微型肺器官” 的横截面：

• 上层：气道上皮层：模拟人类小气道的 “气液界面”，上皮细胞朝上的一侧接触 “空气”（模拟呼吸），朝下的一侧接触 “体液”，还能分泌黏液、长出纤毛（和真实气道一样，纤毛会摆动清除异物）。

• 下层：3D微血管网络：由脐静脉内皮细胞和肺成纤维细胞组成，形成可灌注的血管（类似肺里的毛细血管），还能让免疫细胞在里面 “流动”。

• 中间膜：免疫细胞的 “通道”：一层带 5.0 微米小孔的薄膜，刚好能让免疫细胞（如巨噬细胞、T 细胞）从血管侧迁移到气道侧，模拟真实感染时免疫细胞 “奔赴战场” 的过程。

更贴心的是，这款芯片还做成了 96 孔板格式，就像实验室常用的培养板一样，一次能同时测试几十组实验，为后续药物筛选打下了基础。

真实的肺应对流感，靠的是 “结构细胞 + 免疫细胞” 的协同作战。研究团队给芯片 “配齐” 了这两类细胞。第一是结构细胞，气道上皮细胞（抵御病毒入侵的第一道防线）、内皮细胞（血管屏障）、成纤维细胞（分泌细胞外基质，支撑肺结构，还能调节免疫）。第二是免疫细胞，这是芯片的 “核心亮点”，包含了两类关键免疫细胞，组织驻留免疫细胞和循环免疫细胞。

在实验测试中，研究团队在血管灌注率、上皮屏障完整性和细胞类型匹配度方面进行了研究。其中，芯片的微血管网络在培养第9天就能完全灌注，80%以上的芯片能达到 “全灌注” 状态，稳定性远超同类模型。而用荧光标记的葡聚糖测试上皮通透性，结果显示，不管有没有免疫细胞，上皮层都能维持紧密的屏障（和健康人的肺一样），不会轻易 “漏水”。另外，通过单细胞 RNA 测序发现，芯片里的细胞类型和人类小气道的细胞类型高度重合，甚至连细胞的基因表达模式都很像。

长期以来，科学家难以直接观察肺内部的免疫反应。这款芯片为临床前研究开辟了新途径，有助于深入解析免疫反应与病毒感染的相互作用，并评估抗病毒药物的疗效。此外，动物模型在肺部研究中存在局限，例如小鼠无法模拟人类哮喘或特定免疫反应。新型肺芯片不仅能更精准模拟人类疾病机制，还有望大幅减少对动物实验的依赖。

研究团队透露，新型肺芯片可用于研究哮喘、囊性纤维化、肺癌和结核病等疾病。未来他们还计划整合免疫器官，模拟肺部与全身免疫系统的协同作用。长期目标是实现个性化医疗，利用患者自身细胞构建芯片，预测最佳治疗方案。