来自麦克马斯特大学和SickKids医院的一个跨学科研究小组正在开发一种尖端的肺部模型，可以更好地对病毒和药物治疗做出反应，为科学家们提供了一种工具，可以推进对COVID-19、囊性纤维化、哮喘和空气污染的过敏原等肺部疾病的研究。
新的生物工程肺模型——由研究小组创造的“平板临床试验”——将复制人类肺的关键特征，包括特化细胞、周围血管和类似生命的免疫功能。
该项目最近获得了100万美元的资助，成为美国国家疗养院协会研究基金的赢家，该基金支持肺部科学和医学的重要新领域的研究。这篇研究论文的预印本本周发表在了bioRxiv杂志上。
“为了更好地为未来的流行病做准备，需要更复杂的人体肺模型来更精确地研究疾病和治疗方法。我们的肺模型平台将改进COVID-19及其他疾病的临床试验设计，广泛应用于药物开发、免疫学和肺部发育生物学，”化学工程助理教授张伯阳说，他与麦克马斯特大学的顶尖专家Jeremy Hirota和Karen Mossman以及SickKids和多伦多大学的Amy Wong合作，领导麦克马斯特大学的这项工作。
甚至在COVID-19之前，研究人员就开始结合他们的专业知识来推进肺模型——Wong实验室的干细胞衍生类器官技术，Mossman实验室的病毒学专业知识，Hirota实验室的肺生物学和免疫学专业知识，以及Zhang实验室的器官芯片工程。
张说:“对于COVID，我们当然感到迫切需要整合这些已经存在的不同技术，以创造更高水平的东西。”他补充说，该团队正在努力将他们的工作带到生物安全3级实验室，这是研究COVID-19所需的。
“板上临床试验”肺模型将结合两种创新生物工程器官系统的最佳特征:干细胞衍生的类器官和器官芯片模型。
在SickKids, Wong的实验室开发了一种方法，可以让人造干细胞“变成”肺的不同细胞，模拟这个复杂器官的关键发育步骤。根据Wong的说法，细胞类型的多样性对于在3D中准确地建立器官模型至关重要。
多伦多大学实验室医学和病理生物学助理教授Wong说:“有了麦克马斯特大学令人难以置信的团队，我们将把我们的干细胞衍生的肺类器官模型与免疫细胞和脉管系统结合起来，为疾病建模创建一个更先进的临床前肺模型，并更好地预测每个人的治疗结果。”她在SickKids进行干细胞生物学和囊性纤维化研究。
Zhang实验室开发的器官芯片系统使科学家能够更好地控制细胞培养的微环境。例如，可以将细胞拉伸并浸入液体中，以测试对药物治疗的反应。缺点是这些模型的细胞群过于简化，在3D中不能很好地转换。
“为了克服两种技术之间的权衡，我们正在将它们结合起来开发一个更先进的系统，”张说。
“板上临床试验”模型中的细胞群是在一个有384个孔或口袋的塑料板上形成的。每个模型都不比一粒米大。
新肺模型的另一个突破是它能够复制空气和血液循环、病毒感染和免疫反应。
该团队在模型周围开发了一个血管网络，这是研究肺部免疫的关键，因为免疫细胞在血液中存活和移动，麦克马斯特大学呼吸学助理教授和加拿大呼吸粘膜免疫学二级研究主席Hirota解释说。
“感染期间的免疫反应是动态的，涉及多种细胞类型，但从历史上看，我们用于研究感染的细胞模型是静态的，仅限于一种细胞类型，”他补充说，并指出该团队提出的模型将使用多种免疫细胞类型。
“这是一个彻底改变我们如何研究和理解对传染性病原体的免疫反应，以及开发针对这些感染的药物的机会。”
在国家疗养院协会的新资助下，该团队将在未来五年内开发和测试临床使用的肺模型。
该项目的早期工作由加拿大卫生研究院(CIHR)资助，加拿大创新基金会(CFI)提供额外赠款，支持购买推进研究的关键设备——用于高通量成像的高含量共聚焦显微镜，以及用于自动化生产过程的机器人液体处理系统。
麦克马斯特大学副院长、研究和医学教授凯伦·莫斯曼说:“麦克马斯特大学被公认为呼吸研究领域的全国和全球领导者，我们很高兴国家疗养院协会认可了我们工作的改变游戏规则的潜力。”
“我们跨学科和跨机构合作的能力——这种合作是麦克马斯特大学的代名词——大大提高了我们促进世界各地公民健康和福祉的能力。”
