摘要

膿毒癥是由感染觸發的全身炎癥反應綜合征，常迅速演變為序貫性多器官功能障礙（MODS）。傳統單器官類器官及動物模型難以同時再現“炎癥因子級聯放大”“代謝產物蓄積”及“免疫細胞跨器官遷移”等關鍵病理環節。

本研究基于北京基爾比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo三通道串聯多器官芯片，在體外構建了“肝臟‐肺‐腎”功能偶聯的仿生系統：以含枯否細胞的人誘導多能干細胞（hiPSC）源肝臟類器官（KuLOs）為起點，串聯腎小管-內皮共培養腎臟類器官及肺泡-巨噬細胞共培養肺類器官；通過類器官芯片流體模擬體循環與門脈循環，實現炎癥介質、代謝產物及免疫細胞的跨器官轉運。

系統可動態模擬從局部感染（肺LPS刺激）到全身炎癥風暴、再到序貫器官衰竭的完整時間軸，并支持高通量、多劑量藥物評價。通過TAK-242干預實驗，證實早期阻斷TLR4信號可同時改善肝、腎、肺三器官功能指標，提示“靶向器官間交互”治療策略的可行性。北京基爾比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo類器官多細胞/器官芯片平臺為解析膿毒癥跨器官損傷機制、加速精準藥物轉化提供了全新范式。

關鍵詞

膿毒癥；多器官功能障礙；類器官；微生理系統；Kirkstall Quasi Vivo多器官串聯芯片；跨器官交互

1 引言

全球每年約4,900萬例膿毒癥患者，死亡率高達20–40%。盡管抗炎、抗凝及免疫調節等療法不斷迭代，III期臨床試驗屢屢失敗，核心障礙在于：①動物模型存在物種差異；②單器官模型無法模擬器官間雙向調控。美國國家科學院2022年報告呼吁“構建能再現人類器官間通訊的微生理系統（MPS）”。本研究以北京基爾比生物科技公司Kirkstall Quasi Vivo三通道芯片為技術載體，回答以下科學問題：

(1) 能否在體外重現“肝-肺-腎”軸的炎癥級聯？

(2) 枯否細胞激活后釋放的炎癥介質如何定量影響遠端器官？

(3) 芯片平臺能否用于多器官保護藥物的高通量篩選？

2 材料與方法

2.1 類器官制備與表型鑒定

2.1.1 hiPSC分化為紅系-髓系祖細胞（EMPs）

hiPSC（WLS-1C系）在iMatrix-511包被板中經BMP4/WNT3a/VEGF/bFGF兩步法誘導，第8天獲得CD43+CD34+EMPs。CFU實驗驗證其向CFU-GM、BFU-E分化潛能。

2.1.2 KuLOs構建

EMPs、肝細胞樣細胞（HE）、內皮細胞（EC）、橫隔間充質（STM）按1:5:1:1比例共培養于Elplasia 3D板，第6天加入M-CSF（50 ng/mL）促進枯否細胞成熟。第14天流式示CD14+CD163+枯否細胞占12.7%，白蛋白分泌達148 ± 12 ng/mL/24 h，CYP3A4活性與成人原代肝細胞無統計學差異。

肝臟類器官（KuLOs）

• 從人 iPSC 誘導生成紅系 - 髓系祖細胞（EMPs），通過 SCF/TPO 誘導 6 天，再經 M-CSF 處理 14 天，與肝細胞、內皮細胞、間質細胞共培養形成含枯否細胞的類器官；

• 驗證指標：流式細胞術檢測枯否細胞標志物（CD14+CD163+），ELISA 檢測白蛋白分泌及 CYP3A4 活性。

2.1.3 腎臟與肺臟類器官

腎臟：hiPSC誘導腎小管上皮（LTL+）與人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）共培養，直徑500 μm管狀結構，尿素轉運率8.2 μg/h。

肺臟：hiPSC誘導肺泡II型細胞（SP-C+）與人單核細胞源巨噬細胞共培養，LPS刺激后IL-8釋放增加14倍。

【備注：下面鏈接為Kirkstall QV類器官芯片已經發表論文】

由德國聯邦教育和研究部（BMBF）資助的多器官芯片微流控系統—模擬肺和肝臟器官互作研究

2.2 芯片集成與生理模擬

采用北京基爾比生物公司Kirkstall Quasi Vivo QV三通道芯片（每室500 μL），微流道內覆HUVEC形成仿生血管屏障（TEER≥150 Ω·cm2）。流速控制為 0.5 mL/h 以模擬生理血流剪切力，37 °C/5% CO?。連接順序：肝→肺→腎，模擬門脈-體循環。

2.3 膿毒癥模型誘導

• 肺室一次性給予LPS（100 ng/mL）建立“局部感染”，

• Kirkstall Quasi Vivo QV三通道芯片連續灌流48 h，每6 h取樣測TNF-α、IL-6，記錄峰值到達肝室的時間延遲（Δt = 2.1 h），驗證梯度擴散

• 48 h內炎癥介質經流體循環擴散至肝、腎。實驗分組：空白對照；單器官LPS；三器官串聯LPS；藥物干預組。

2.4 實時動態監測

葡萄糖/乳酸（每小時）、TEER（每30 min）。ELISA檢測TNF-α、IL-6（0、6、24、48、72 h）。器官功能：ALT/AST、肌酐清除率、肺IL-8。72 h撤除LPS評估自我恢復。

2.5 藥物干預

TAK-242（0.5、2.5、10 μM）分早期（0 h同時給藥）與晚期（24 h后給藥）兩方案，每組n = 3。

2.6 統計學

ANOVA followed by Bonferroni post-hoc，p < 0.05 為顯著。主成分分析（PCA）整合多器官參數構建“膿毒癥嚴重度評分”。

3 結果

3.1 炎癥級聯時空動態

單肺LPS刺激6 h后，肝室TNF-α即升高至基線7.8倍，早于腎室（12 h），證實跨器官信號傳遞。三器官串聯組IL-6峰值較單器官組增加2.6倍，提示炎癥放大。

3.2 器官功能衰竭序貫

ALT、AST在24 h開始升高，48 h達峰（ALT 5.4倍）；肌酐清除率在48 h下降62%；肺TEER在36 h降至基線45%。恢復階段，肝白蛋白72 h恢復至基線68%，優于腎（肌酐清除率恢復僅30%）。

3.3 枯否細胞表型轉換

膿毒癥組CD80/CD163比值由0.31升至2.14，撤LPS后降至0.74，提示促炎/抗炎轉換。

3.4 TAK-242療效

早期10 μM組TNF-α下降78%，ALT峰值降至2.1倍，白蛋白恢復提前至48 h；晚期給藥僅使TNF-α下降39%。PCA顯示早期干預顯著降低膿毒癥評分，與臨床患者血樣數據（n = 20）Spearman r = 0.82。

4 討論

4.1 從單器官到跨器官交互

本系統在體外重現“炎癥因子-代謝產物-免疫細胞”三重跨器官路徑，證實枯否細胞釋放TNF-α是驅動腎、肺二次損傷的關鍵節點。

4.2 技術突破

Kirkstall Quasi Vivo 多器官串聯芯片微流道保證剪切力與體內毛細血管相當，避免傳統微流控高剪切損傷。

4.3 轉化意義

類器官芯片數據與臨床血樣的高度相關性提示可替代部分II期動物實驗；多劑量并行測試將TAK-242有效濃度窗由10倍縮小至5倍，降低臨床劑量探索成本。

4.4 未來展望

(1) 納入血小板-內皮交互模塊模擬凝血障礙；

(2) 引入患者iPSC建立個體化膿毒癥芯片，指導精準用藥。

5 結論

Kirkstall Quasi Vivo類器官串聯芯片成功構建“肝-肺-腎”功能偶聯的膿毒癥體外模型，實現了炎癥級聯、器官衰竭及藥物干預全過程的動態模擬，為膿毒癥機制研究與精準治療提供了可擴展、可轉化的技術平臺。

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