科学家首次用单人多能干细胞造出呼吸式"肺芯片"

该模型利用诱导性多能干细胞构建出基因完全相同的微型生态系统。

研究人员首次仅用单人的细胞制造出会呼吸的肺模型。这项由伦敦弗朗西斯·克里克研究所与瑞士AlveoliX公司合作研发的成果于1月1日公布。这款"肺芯片"模型将为结核病研究与精准个性化医疗开辟新路径。

这种芯片能模拟肺组织功能。由于其可像真实肺部一样律动收缩，研究人员能借此观察特定个体对抗结核病菌的过程，从而更精准地找到个性化治疗方案。

克里克研究所结核病宿主-病原体相互作用实验室负责人、资深作者马克斯·古铁雷斯指出："随着对非动物实验技术需求的增长，器官芯片技术对重建人体系统日益重要。它能规避动物与人类在肺部解剖结构、免疫细胞构成及疾病发展等方面的差异。"

为深入研究人体对抗流感、结核等呼吸道疾病的机制，科学家正在开发"肺芯片"技术——这种置于塑料装置中的微型单元能复刻人体肺泡结构。肺泡不仅是气体交换场所，也是感染发生的关键区域。

以往这类模型因使用不同来源的"混合细胞"而存在局限，无法准确反映个体生物学特性。如今通过单一个体的基因图谱制造芯片，研究人员首次能精确观察人类细胞与细菌间的独特博弈。

该突破性技术利用诱导性多能干细胞构建了基因完全相同的微型生态系统。古铁雷斯补充道："完全由同源基因细胞构成的芯片，可采用携带特定基因突变者的干细胞制造。这将帮助我们理解结核等感染对个体的影响，并测试抗生素等疗法的有效性。"

为模拟生命活动，AlveoliX系统采用节奏性三维拉伸技术，通过推拉组织模拟人类呼吸时的扩张运动。这种机械应力至关重要：缺乏它，细胞就无法形成对肺功能必不可少的关键结构——微绒毛。

为模拟感染过程，研究人员在芯片中植入与供体匹配的免疫细胞（巨噬细胞）并引入结核杆菌，从而在单一稳定的遗传环境中首次观察到疾病初始阶段。

结核病的隐匿性使其成为患者的噩梦。从吸入细菌到首次咳嗽可能间隔数月，病程进展缓慢。研究团队将供体自身的巨噬细胞植入芯片后，实时观测到了免疫战争的全过程。

他们发现，在肺屏障整体崩溃前五天就已形成"坏死核心"——即死亡免疫细胞的聚集区。该实验室博士后、第一作者杰克森·卢克强调："结核病进程缓慢，感染与症状出现可能相隔数月，因此迫切需要在隐形早期阶段理解疾病机制。"

这项技术突破了动物实验的伦理局限和解剖学差异。小鼠的呼吸方式与人类不同，其免疫系统对结核病的反应也与人相异。虽然当前模型专注于结核病研究，但团队已着眼于未来：流感、新冠肺炎乃至肺癌都可能成为这个微型呼吸革命的下一个攻克目标。

该研究成果已发表于《科学进展》期刊。

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