从肝遗传毒性、肠毒性到肺和肾毒性4个MPS案例解析
**摘要：**传统二维细胞模型能够完成大量早期安全性筛查，但当研究问题涉及人体代谢、组织屏障、多细胞分化和器官功能时，简单细胞模型往往难以完整重现真实组织环境。微生理系统（Microphysiological Systems，MPS）通过引入人源细胞、三维组织结构和动态培养环境，为安全性毒理研究提供了新的模型选择。本文结合4个公开研究案例，分别梳理肝脏芯片在遗传毒性和致突变性评价中的应用、人源肠道类器官与动态肠道模型在胃肠道毒性研究中的表现、3D气道模型在肺毒性与杯状细胞表型分析中的价值，以及不同静态和动态模型在肾毒性预测中的差异，重点分析器官芯片如何将安全性评价从单一细胞活力检测进一步推进到人体代谢、多终点、组织功能和模型预测能力层面。 **关键词：器官芯片、微生理系统、CN Bio、PhysioMimix、安全性毒理、肝毒性、肠道毒性、肺毒性、肾毒性、药物研发** ## 一、为什么安全性毒理研究越来越需要人体相关模型 药物安全性评价的核心目标并不只是确认一种化合物“是否产生细胞损伤”，而是尽可能理解候选药物进入人体后可能对不同组织和器官产生什么影响。传统二维细胞模型在通量、操作简便性和机制研究方面具有明显优势，但当毒性依赖人体代谢、复杂组织结构或者不同细胞之间相互作用时，单一细胞模型能够提供的信息就会受到限制。 药物进入人体后，可能先经过肝脏代谢形成新的代谢物，再影响其他组织；胃肠道毒性可能表现为屏障结构和细胞谱系变化，而不只是细胞死亡；肺部早期损伤也可能首先表现为杯状细胞、纤毛细胞和黏液相关功能变化；肾毒性则可能随着培养模型中流体环境、极性和转运功能不同而呈现完全不同的检测结果。 因此，安全性毒理研究正在逐渐从“一个细胞系对应一个终点”转向更加综合的问题：模型是否具有足够的人体相关代谢能力，是否能够重建组织屏障和动态微环境，是否能够同时观察多个毒性终点，以及模型得到的结果是否与已知人体反应具有更好的对应关系。 微生理系统正是在这一背景下获得关注。通过人源细胞、三维组织结构、持续灌流和多细胞共培养，可以在体外增加传统培养体系中缺少的一部分生理特征，为药物安全性研究提供新的实验层级。 ## 二、四个安全性毒理案例分别回答了什么问题 公开研究中，不同团队利用肝、肠、肺和肾脏相关模型解决的并不是同一个问题。肝脏案例重点关注人源代谢能力与多种遗传毒性终点能否整合到同一个模型；肠道研究关注传统Caco-2模型可能遗漏的临床胃肠道毒性；肺部研究进一步观察细胞分化和组织功能变化是否先于明显细胞毒性出现；肾脏研究则直接比较不同培养平台的预测能力，讨论模型选择本身是否会改变最终毒性结论。 原始资料将4个案例总结如下，表格内容保持不变，仅转换为Markdown格式并设置居中： |客户/研究团队|器官模型|研究方向|为什么值得关注？| |:-:|:-:|:-:|:-:| |Charles River Laboratories × TwinStrand Biosciences|肝脏|遗传毒性 / 致突变性|将人源肝脏代谢能力与 Comet、Micronucleus、Duplex Sequencing 多种遗传毒性终点结合，探索更接近人体的遗传毒性评价体系| |康龙化成 Pharmaron（Beijing）|肠道|胃肠道毒性|人源肠道类器官（HIO）对部分临床胃肠道毒性药物表现出比 Caco-2 更高的检测敏感性，并进一步结合动态 gut-on-a-chip 模型| |康龙化成 Pharmaron（Beijing）|肺 / 气道|肺毒性|不仅观察细胞活力，还关注杯状细胞、纤毛细胞和黏液纤毛分化，捕捉传统细胞毒性指标之外的组织功能变化| |Texas A&M University×Roche、Sanofi、Merck 等|肾脏|肾毒性预测|横向比较 96 孔板、静态 Transwell、OrganoPlate 和 PhysioMimix T12，系统评估不同模型的毒性预测能力| **表1：肝、肠、肺、肾四类MPS安全性毒理应用案例** 这四项研究共同说明，MPS的价值并不只是把二维细胞“做成立体”，而是根据具体毒理问题增加人体相关代谢、屏障、流体和功能性终点。 ## 三、案例一：为什么遗传毒性研究需要把人源肝脏代谢能力纳入模型 遗传毒性研究中的一个经典难题，是部分化合物本身并不直接表现出明显遗传毒性，而是需要经过代谢转化之后才形成具有相关活性的产物。如果实验体系缺少足够的代谢能力，就有可能低估这类化合物的风险。 Charles River Laboratories和TwinStrand Biosciences建立了基于PhysioMimix T12的肝脏芯片模型，将原代人肝细胞（PHH）或HepaRG与TK6细胞结合，在动态微流体环境中构建同时具有肝脏代谢和遗传毒性检测能力的实验体系。  **图1：肝脏芯片（LOC）模型在遗传毒性测试中的整体设计[1]** 这项研究最值得关注的并不是单独使用了一种新的培养设备，而是在同一个实验框架中组合了多种遗传毒性终点。 研究一方面通过白蛋白、尿素和CYP活性等指标确认肝脏模型仍然维持相应代谢功能，另一方面分别利用Comet assay、Micronucleus assay和Duplex Sequencing观察DNA链断裂、染色体损伤或丢失以及基因突变。 这样一来，实验不再只回答“样品有没有产生某一种遗传毒性信号”，而可以进一步比较不同损伤层级是否同时发生，以及需要代谢活化的化合物能否在人源肝脏环境中表现出对应风险。 ## 四、为什么Comet、Micronucleus和Duplex Sequencing需要放在一起看 Comet assay主要用于观察DNA链断裂等损伤；Micronucleus assay用于分析与染色体损伤和丢失相关的微核变化；Duplex Sequencing则进一步进入基因突变层面。 三个终点观察的生物学事件不同，因此同一种化合物并不一定在所有方法中都产生相同响应。 原始研究中，MMS和EMS等直接遗传毒物能够在多个终点产生响应；需要代谢活化的CP和B[a]P也分别在微核、突变或DNA损伤相关终点中观察到信号。 这一结果的意义在于，模型中存在具有功能的人源肝代谢环境，因此不仅能处理直接作用化合物，也能够进一步研究代谢活化后才产生遗传毒性风险的pro-genotoxicant。 对于安全性研究而言，这种“人源代谢 + 多终点”的组合比只依赖单个细胞系和单个检测方法能够提供更加完整的信息。 ## 五、肝脏MPS在遗传毒性研究中的真正价值是什么 传统遗传毒性实验往往将代谢活化与终点检测分成不同模块，而肝脏芯片研究尝试将人体相关代谢能力直接放入整个实验体系中。 这种设计并不意味着所有传统遗传毒性方法都需要被替换，而是提供了一个新的研究问题：当一个化合物的风险高度依赖人类肝脏代谢时，是否可以用具有人源肝功能的体外模型补充现有数据。 从这个角度看，MPS更像是连接药物代谢与遗传毒性终点的一座桥梁，使研究人员能够进一步分析“母体化合物—代谢产物—遗传损伤”之间的关系。 ## 六、案例二：为什么Caco-2可能遗漏部分胃肠道毒性 Caco-2是肠道相关研究中应用非常成熟的细胞系，可用于屏障和转运等多种实验。但它毕竟属于单一细胞系，无法完整重现人体肠道中多种上皮细胞谱系和crypt-villus样结构。 Pharmaron建立了人源肠道类器官（Human Intestinal Organoid，HIO）及其衍生屏障体系，希望进一步评价模型对临床胃肠道毒性相关药物的识别能力。  **图2：人源肠道类器官来源屏障及动态肠道模型的构建与质量控制[2]** 原始资料显示，HIO能够维持接近肠道crypt-villus的结构，并包含多种主要肠上皮细胞谱系。 这意味着模型中不仅存在一个均一的上皮细胞群，而是保留了更加复杂的组织组成，因此在研究药物如何影响不同肠道细胞状态时可以提供更多信息。 ## 七、为什么HIO在胃肠道毒性测试中的敏感性值得关注 在一组具有不同临床腹泻发生率的药物测试中，原始资料报告HIO对胃肠道毒性的预测敏感性达到78%，而Caco-2为22%，两类模型均表现出较好的特异性，没有观察到明显假阳性。 这组结果最重要的含义不是“类器官永远优于Caco-2”，而是说明对部分需要更加复杂肠道组织环境才能表现出来的毒性，人源类器官可能比单一细胞系更加敏感。 例如，Trametinib在Caco-2中的IC50大于1000 nM，而在HIO中约为26.2 nM；5-FU在Caco-2中的IC50大于100,000 nM，而HIO中约为1,681 nM。 这些数值对应具体实验体系和给药条件，不能直接推广到所有研究，但它们说明模型选择可能明显改变某些药物的毒性响应窗口。 ## 八、为什么动态gut-on-a-chip还能看到更多屏障相关变化 研究进一步将人源肠道模型与动态gut-on-a-chip体系结合。 原始资料显示，Trametinib在临床相关Cmax浓度下即可观察到屏障损伤，并伴随ZO-1紧密连接结构破坏和MUC2异常。 这类终点相比单纯细胞活力检测更加接近组织功能层面。ZO-1反映紧密连接结构，而MUC2与肠道黏液相关，因此即使细胞尚未出现大规模死亡，组织屏障也可能已经发生具有生物学意义的改变。 这也说明，在胃肠道安全性评价中，“有没有细胞死亡”与“肠道功能是否受损”并不是同一个问题。 ## 九、案例三：为什么肺毒性不能只看细胞活率 药物诱导性肺损伤可能首先表现为气道上皮分化、黏液产生和纤毛功能变化，而不是立刻出现大规模细胞死亡。 Pharmaron建立了3D人源支气管类器官（HBO）、NHBE气液界面（ALI）模型，并进一步利用PhysioMimix建立灌流bronchi-on-a-chip体系，以观察不同培养方式对气道组织成熟和毒性响应的影响。  **图3：使用PhysioMimix建立的灌流NHBE ALI模型，原始资料显示其分化表现优于对应静态ALI培养[2]** HBO经过14天分化后，可以形成具有杯状细胞和纤毛细胞特征的成熟气道结构；原始资料同时指出，灌流培养在相关分化指标上表现出比静态条件更好的结果。 ## 十、afatinib实验为什么提示“组织功能变化可能早于细胞死亡” 研究利用具有肺毒性报道的afatinib进行模型验证。 在分化HBO体系中，afatinib对应IC50约为15.18 μM，同时杯状细胞相关标志物MUC5AC随剂量增加而下降。 更值得注意的是，在NHBE ALI模型中，TEER、通透性和细胞活力并没有表现出明显的剂量依赖变化，但MUC5AC表达和杯状细胞组成已经明显下降。 也就是说，如果研究只检测细胞活力，这部分早期组织变化可能被遗漏。 这提示安全性毒理研究有必要根据目标器官特点选择功能性终点。对于气道组织，杯状细胞、纤毛细胞以及黏液纤毛功能可能比一个通用细胞存活率指标更加接近实际组织表型。 ## 十一、为什么杯状细胞和纤毛细胞值得纳入肺毒性评价 气道上皮不是一个单一细胞层。杯状细胞负责黏液相关功能，纤毛细胞参与黏液清除，二者共同构成重要的黏液纤毛防御系统。 一种药物即使暂时没有明显降低整体细胞活力，如果它显著改变杯状细胞比例或者纤毛细胞分化，也可能影响组织正常功能。 因此，多细胞气道模型的意义之一，就是将毒理终点从“细胞有没有死”扩展到“组织是否仍保持正确细胞组成和功能”。 这对于慢性给药或者早期组织损伤研究尤其重要。 ## 十二、案例四：为什么不同肾脏模型可能得到不同的毒性结论 前三个案例主要展示了如何增加人体相关性，而肾脏案例进一步直接比较多个体外平台，讨论模型本身是否会改变毒性预测结果。 Texas A&M University联合Roche、Sanofi、Merck、Unilever、NIEHS等机构，对16种化合物进行了比较研究。 肾近端小管上皮细胞（HRPTEpC）分别培养在96孔板、静态Transwell、PhysioMimix T12流体Transwell以及OrganoPlate中，再通过LDH、TEER、药物转运和转录组等指标进行评价。  **图4：不同体外模型及肾毒性实验时间设计概览[2]** 这种横向比较的价值在于，细胞来源保持相对一致，而培养环境不同，因此能够更加直接地观察模型结构和动态条件是否影响毒性预测结果。 ## 十三、为什么96孔二维模型和动态MPS会产生不同表现 原始资料显示，96孔板对部分肾毒性信号的响应相对有限；相比之下，静态Transwell、OrganoPlate和PhysioMimix T12等具有更多组织结构或动态培养特征的模型表现出更突出的预测能力。 其中，PhysioMimix T12在研究报告的敏感性、特异性、准确率和MCC等多项指标中表现出较好的综合结果。 这类结果提示，毒性检测并不仅由“使用哪一种细胞”决定。流体剪切、细胞极性、屏障结构和转运状态都可能影响细胞如何响应药物。 因此，当二维模型与临床观察之间出现明显偏差时，增加更加接近肾近端小管环境的培养条件可能提供新的解释。 ## 十四、为什么TEER不一定是所有肾毒性的最佳早期终点 该肾毒性研究中还出现了一个值得注意的现象：TEER对于部分早期毒性变化的响应相对有限，而LDH在较低浓度下已经能够观察到相应变化。 这进一步说明，即使模型更加复杂，也不能只依赖一个检测指标。 TEER更接近屏障完整性，而LDH反映细胞膜相关损伤，转运指标和转录组又提供不同层面的信息。因此，一个真正可靠的安全性研究往往需要多个终点互相补充。 不同器官甚至不同化合物适合的早期毒性指标也可能不同，不能直接用同一套终点套用所有模型。 ## 十五、四个案例共同说明了什么 肝脏案例强调“代谢能力”，肠道案例强调“多细胞和组织屏障”，肺模型强调“分化和组织功能”，肾脏研究则强调“模型环境本身会影响预测表现”。 表面上看，这四类研究属于不同器官，但核心逻辑其实一致：安全性毒理评价正在从简单终点走向更加接近人体组织行为的复合评价。 这并不意味着越复杂的模型就一定越好。真正需要的是根据研究问题选择足够复杂、但仍然可重复和可分析的体系。 如果一个二维模型已经能够可靠回答问题，就没有必要为了复杂而复杂；但当毒性明显依赖代谢、组织屏障、多细胞结构或者流体环境时，MPS就可能提供传统模型难以获得的信息。 ## 十六、PhysioMimix在这些研究中承担的是什么角色 PhysioMimix属于微生理系统平台，其核心作用是提供动态培养环境和适用于不同组织模型的实验框架。 在上述案例中，它并不是作为一个固定“万能模型”出现，而是根据具体器官和问题承载不同的人源细胞体系。例如肝脏模型重点维持代谢功能，气道模型结合ALI和灌流环境，肾脏模型则利用流体Transwell进行近端小管相关研究。  **图5：CN Bio PhysioMimix Core微流控器官芯片系统** 因此，评价一个器官芯片平台是否适合某项安全性研究，不能只看设备本身，而需要同时考虑细胞来源、培养结构、流体条件、暴露方式和最终检测终点。 ## 十七、为什么器官芯片不能简单理解为“动物模型的直接替代” 人体相关MPS能够补充传统模型，但并不能因为使用了人源细胞就自动解决所有药物安全性问题。 真实人体仍然包含免疫、神经、内分泌和全身器官间相互作用，这些因素很难在单个器官模型中完整重建。 因此，更合理的定位是把MPS作为整个非临床证据体系中的一种工具，用来回答传统二维模型和部分其他模型难以回答的具体问题。 例如，在遗传毒性研究中加入更相关的人源代谢；在胃肠道研究中观察屏障和多细胞结构；在肺研究中增加组织分化指标；在肾脏研究中比较动态培养条件。 这种“问题导向”的应用方式比简单讨论某一种模型是否可以全面替代另一种模型更加具有实际意义。 ## 十八、器官芯片应用于安全性毒理时应该关注哪些质量问题 首先需要关注细胞本身是否具有稳定的器官相关功能。肝脏模型需要确认白蛋白、尿素、CYP等功能，肠道和气道模型则需要关注屏障和细胞谱系。 其次，需要确认动态培养条件是否稳定。流速、培养液体积、暴露方式和培养周期都会影响药物实际接触细胞的方式。 第三，需要提前定义研究终点。仅检测细胞活力可能遗漏功能性变化，因此应根据器官特点增加对应指标。 最后，还需要控制模型批次和供体差异。尤其原代细胞模型中，不同供体的基础代谢和药物敏感性可能不同，因此需要在实验设计中考虑相应重复。 ## 十九、什么时候更值得使用安全性毒理MPS 如果研究化合物本身已经能够通过简单二维模型获得清晰、可靠的毒性结果，MPS并不一定是必须选择。 当问题涉及人源代谢活化、多细胞屏障、长期组织功能或者传统模型与人体结果不一致时，MPS的优势更加明显。 例如，肝脏模型适合进一步研究需要人源代谢参与的安全性问题；动态肠道模型适合观察屏障和黏液相关变化；气道模型适合关注杯状细胞和纤毛功能；肾脏动态模型则可以用于研究近端小管环境与毒性预测之间的关系。 因此，模型复杂程度最好由科学问题决定，而不是由技术新旧决定。 ## 二十、常见问题 ### Q1：器官芯片可以用于哪些安全性毒理研究？ 原始资料中的案例涉及遗传毒性、胃肠道毒性、肺毒性和肾毒性，不同模型分别关注人体代谢、组织屏障、多细胞分化和动态培养环境。 ### Q2：为什么肝脏遗传毒性研究需要人源代谢能力？ 部分化合物需要经过肝脏代谢后才产生具有遗传毒性相关活性的代谢物，因此缺少相应代谢能力的模型可能无法充分识别这类风险。 ### Q3：肝脏案例同时用了哪些遗传毒性终点？ 研究结合了Comet assay、Micronucleus assay和Duplex Sequencing，分别观察DNA损伤、染色体相关变化和基因突变。 ### Q4：为什么HIO比Caco-2对部分胃肠道毒性更敏感？ HIO保留更复杂的人源肠道细胞谱系和组织结构，因此部分依赖组织背景的毒性可能更容易表现出来。原始研究中HIO的预测敏感性为78%，Caco-2为22%。 ### Q5：肺毒性为什么不能只检测细胞活力？ 原始afatinib实验中，部分条件下细胞活力和TEER变化并不明显，但MUC5AC和杯状细胞组成已经下降，提示组织分化变化可能早于明显细胞损伤。 ### Q6：不同肾脏模型真的会得到不同毒性结果吗？ 原始比较研究显示，96孔板、静态Transwell、OrganoPlate和PhysioMimix T12的预测表现存在差异，说明培养环境和模型结构本身会影响毒性检测结果。 ### Q7：TEER是不是所有屏障模型都必须作为主要毒性指标？ 不是。TEER主要反映屏障电阻变化，不同器官和不同化合物的敏感终点可能不同，应结合LDH、转运、组织标志物和其他功能指标共同分析。 ### Q8：器官芯片可以完全替代传统动物研究吗？ 不能简单这样理解。MPS适合补充人体相关机制和毒性数据，但完整安全性评价仍需要根据研究阶段结合不同模型和证据。 ## 二十一、总结 安全性毒理研究正在从“细胞是否死亡”逐渐发展为“药物对人体相关组织产生了什么变化”。 肝脏MPS案例展示了人源代谢与多种遗传毒性终点结合的可能性。通过PHH或HepaRG与TK6细胞形成实验体系，可以在维持肝脏代谢功能的同时分析DNA损伤、微核和基因突变，从而进一步研究需要代谢活化的化合物。 肠道案例说明，模型复杂程度可能影响毒性敏感性。原始研究中HIO对部分临床胃肠道毒性药物的预测敏感性达到78%，而Caco-2为22%，动态肠道模型还进一步观察到ZO-1和MUC2等屏障相关变化。 肺部案例则提醒研究人员，组织功能变化可能早于明显细胞死亡。afatinib处理后，MUC5AC和杯状细胞组成已经发生变化，而部分传统细胞活力和屏障指标并未表现出同等明显的剂量依赖性。 肾脏研究从另一个角度说明，模型选择本身也会影响安全性结论。相同细胞在96孔板、Transwell、OrganoPlate和动态T12模型中的表现并不完全相同，其中动态和更具生理结构的模型表现出不同程度的预测能力。 这四个案例共同说明，MPS的价值并不是简单增加模型复杂性，而是在传统模型无法充分回答问题时，引入人体相关代谢、组织结构、动态流体和功能终点。 因此，更合理的安全性毒理模型选择逻辑不是“二维还是器官芯片”，而是先明确研究需要回答的问题，再决定需要多少人体相关复杂度。  **图6：CN Bio微流控器官芯片相关应用资料** ## 参考资料 [1] B. Kopp, A. Khawam, K. Di Perna, D. Lenart, M. Vinette, R. Silva, T.B. Zanoni, C. Rore, G. Guenigault, E. Richardson, T. Kostrzewski, A. Boswell, P. Van, C. Valentine III, J. Salk, A. Hamel. Liver-on-chip model and application in predictive genotoxicity and mutagenicity of drugs. Mutation Research - Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 2024;896:503762. [2] CN Bio公开客户研究及相关安全性毒理应用资料 >本文基于CN Bio公开技术资料及相关客户研究资料整理，用于器官芯片、微生理系统、遗传毒性、胃肠道毒性、肺毒性和肾毒性等安全性毒理方向的科研信息分享与实验参考。文中敏感性、IC50、细胞比例、培养时间及模型表现均对应原始公开资料中的具体实验条件，不同细胞来源、供体、药物暴露方式、培养系统和检测终点可能影响实际结果，正式研究仍需结合具体项目进行模型选择和验证。
