综述:用于疾病建模的呼吸芯片:从结构设计到功能整合

时间:2026年3月28日
来源:Advanced Healthcare Materials

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本文系统综述了呼吸器官芯片(ROC)如何通过重建人体呼吸道结构、力学及微环境特征,弥补传统二维细胞培养与动物模型在模拟人类生理病理机制上的不足。文章详细阐述了ROC的架构设计(如平面屏障、3D细胞外基质支架、仿生几何结构)与功能集成(细胞来源选择、生化物理因子调控、生物材料应用及实时监测),并探讨了其在哮喘、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺纤维化、囊性纤维化(CF)、病毒感染及肺癌等多种呼吸系统疾病建模中的应用,为疾病机制研究和药物筛选提供了更具转化预测性的体外平台。

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用于疾病建模的呼吸芯片:从结构设计到功能整合

呼吸系统疾病是全球发病率和死亡率的主要原因,其发生源于持续气流和周期性机械应变下紧密耦合的多细胞相互作用。然而,常用的动物模型和传统二维(2D)细胞培养常将这些决定人类生理病理学的变量解耦,限制了机制解析和转化预测性。呼吸器官芯片(Respiratory Organ-on-a-Chip, ROC)旨在通过可控的、人类相关环境重建人类呼吸系统关键的结构、力学和微环境特征,实现对疾病动力学和治疗反应的定量探究。本综述基于呼吸解剖学和区域特异性功能作为设计原则,整合了ROC的架构策略与核心功能模块,并综合分析了这些工程决策如何影响生物学性能和跨炎症、感染、纤维化、损伤及癌症的转化相关性,同时提出了将疾病特异性研究问题与系统集成要求对齐的决策框架,并指出关键技术瓶颈。

1 引言

呼吸道病毒大流行(如COVID-19、流感)及慢性疾病(如慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺癌)仍是全球主要死因。但机制解析和治疗进展滞后于临床需求,部分原因是疾病起始和进展受上皮、血管、免疫和生物力学过程的紧密耦合调控。呼吸系统作为与外界环境的持续接触界面,空气传播病原体、污染物和过敏原在节律性呼吸运动下与区域特化组织相互作用,从传导气道延伸至气体交换肺泡,具有区域特异性微环境(独特细胞组成、气流模式、黏液和表面活性剂生物学及周期性拉伸)。传统实验模型仅能捕捉部分决定因素:2D培养易获取、通量高,但缺乏空间组织、多组织界面和力学线索,常误判复杂生理药理反应;动物模型提供整体背景,但种属差异(气道结构和免疫调节)降低了对人类呼吸系统疾病的转化保真度;基因编辑动物改善了部分人类相关性,但受伦理、成本和实验周期限制;静态三维(3D)系统(类器官、Transwell模型)可实现高级分化和黏液分泌、纤毛运动等功能,但通常缺乏受控灌注、生理剪切应力和呼吸相关力学驱动,难以模拟时间依赖性暴露、免疫细胞运输和力学调控表型。器官芯片技术通过将组织工程与微流控和可编程力学控制结合,利用微纳制造技术在可灌注微通道内重建功能性组织-组织界面,精确调控剪切应力、机械应变和化学梯度,支持多种人类细胞类型在限定边界条件下的共培养,从而机制性剖析微环境变量如何调控组织功能、炎症、感染、损伤和修复。2010年,哈佛Wyss研究所Donald E. Ingber团队报道了里程碑式的肺芯片,通过多孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜分离的两个平行微通道重建肺泡-毛细血管界面及呼吸样机械变形,循环真空施加于侧室使膜变形模拟节律性扩张收缩,人肺泡上皮和微血管内皮细胞分别接种两侧形成功能性气-血屏障,可在循环应变下探究炎症和毒性反应。在此基础上,ROC已从分区重建发展为在人类相关约束下模拟呼吸病理生理的广泛平台(图1):气道芯片广泛用于哮喘、COPD、囊性纤维化(CF)及感染、污染物诱导损伤的建模,通过空气-液体界面(Air-Liquid Interface, ALI)培养重现黏液纤毛功能和上皮屏障调控;同时出现了无膜的ECM基管状管腔气道配置,扩展了平面屏障外的仿生性;肺泡芯片应用于纤维化、感染和呼吸机诱导肺损伤(Ventilator-Induced Lung Injury, VILI)建模,结构创新包括3D肺泡阵列和生物启发的3D循环应变驱动策略,以提升微结构和力学保真度。文中“气道芯片”指模拟支气管和细支气管的ROC,“肺泡芯片”专指明确设计重现远端气体交换区域的装置。此外,还开发了淋巴器官芯片(研究呼吸免疫适应性反应)、肺癌芯片(模拟肿瘤微环境和治疗耐药)和肺血管芯片(聚焦肺动脉高压和内皮功能障碍),更广泛地,心、肠、肝、脑和骨髓的并行进展支持了开始解决系统药代动力学和多器官毒性的多器官芯片发展。在这一快速扩展的领域,实际存在张力:尽管ROC设计多样性和生理保真度提升,但简化早期格式仍主导常规应用,因其鲁棒性、通量和操作限制。因此,本综述不仅强调已开发内容,还关注特定设计选择的持续性原因、其切实赋能的生物学功能,以及每种配置可信支持的机制或转化推断水平。

2 人类呼吸系统的组成与结构

传导气道、呼吸气道、呼吸肌、胸膜腔和肺实质协调实现通气和气体交换。功能上,呼吸系统分为传导区(负责空气传输)和呼吸区(专门气体交换)。传导区始于鼻腔,包括上呼吸道(鼻腔、咽、喉)和下呼吸道(气管、主支气管及 successive支气管分支至终末细支气管),负责空气的传导、加湿、加温和过滤。过渡到呼吸区以呼吸性细支气管为标志,进一步分支为肺泡管、肺泡囊和肺泡(气体交换主要部位)。

2.1 上呼吸道

鼻腔是呼吸道初始段,主要功能为空气过滤、加温、加湿及嗅觉感知。吸入空气经鼻腔进入咽(呼吸和消化系统共同通道),解剖分为鼻咽、口咽和下咽。鼻咽位于鼻腔后方,主要参与呼吸并含淋巴组织(如咽扁桃体/腺样体);空气向下经口咽和下咽(食物、液体共同通路),这些区域含淋巴结构(腭扁桃体、舌扁桃体),与咽、管、腭、舌扁桃体共同构成Waldeyer扁桃体环,是黏膜相关淋巴组织(MALT)系统关键部分,提供重要一线免疫防御(尤其儿童早期)。随后路径进入喉(防止食物误入气管,含声带负责发声),再进入气管(下呼吸道起点)。

2.2 下呼吸道

2.2.1 传导区
气管在隆突水平分叉为左右主支气管,依次分支为次级、三级支气管及更小支气管,过渡为细支气管并最终至终末细支气管(传导区终点)。气道分支时,管腔直径减小,总横截面积增加;结构上,较大支气管依赖软骨支撑,细支气管则更多依赖平滑肌动态调节气道阻力(适应不同生理条件)。传导区除传导气流外,通过上皮衬里和黏液纤毛清除系统构成主要防御屏障,限制病原体和颗粒进入肺泡区:近端为假复层纤毛柱状上皮(含纤毛细胞、杯状细胞、基底细胞);支气管过渡至终末细支气管时,上皮逐渐从假复层柱状变为单层柱状或立方上皮,纤毛和杯状细胞比例减少,club细胞更突出。黏液纤毛清除系统由协调纤毛搏动和杯状细胞黏液分泌驱动,将吸入病原体和颗粒转运至咽部(咳出或吞咽)。基底细胞位于上皮基膜,具干细胞特性,可分化为多种上皮细胞参与修复。club细胞分泌抗菌蛋白,作为细支气管上皮损伤后的祖细胞。传导区还与次级和三级淋巴结构相关(如支气管周围和纵隔淋巴结、诱导性支气管相关淋巴组织(iBALT)),参与适应性免疫反应。
2.2.2 呼吸区
呼吸区专门气体交换,包括呼吸性细支气管、肺泡管、肺泡囊和肺泡,其中肺泡是主要交换单位——薄壁半球形囊状结构与密集分布的肺毛细血管形成广泛界面,高度特化的气-血屏障实现O2和CO2高效扩散。肺泡上皮含两种主要细胞:I型肺泡上皮细胞(AT1)扁平,覆盖约95%肺泡表面积,极薄厚度最小化扩散距离,增强气体交换效率,还参与离子转运和肺泡液体平衡调控;II型肺泡上皮细胞(AT2)立方状,分泌肺表面活性剂(降低肺泡表面张力,防止呼气末塌陷),具干细胞特性,损伤后可增殖分化为AT1细胞,还参与免疫调节和炎症反应,维持肺泡稳态和再生。除气体交换,肺泡也是免疫防御前线:稳态下肺泡巨噬细胞是肺泡气腔主要常驻免疫细胞,通过持续免疫监视和有效清除吸入病原体和细胞碎片维持稳态;但感染或损伤时,肺泡巨噬细胞可能发挥促炎功能,招募中性粒细胞等炎症细胞,导致肺损伤。

2.3 呼吸辅助结构

呼吸由吸气肌(主要是膈肌——分隔胸腹腔的穹顶状肌腱结构)收缩启动:吸气时膈肌收缩增加胸腔容积,胸膜压下降增加跨肺压,通过脏层和壁层胸膜的胸膜耦合使肺跟随胸壁运动扩张,产生负压梯度将空气吸入气腔;外肋间肌提升肋骨进一步增加胸腔扩张;安静呼气时膈肌放松、胸壁回缩,胸腔容积减小驱动空气排出;主动呼气(用力、咳嗽或呼吸窘迫时)则需内肋间肌和腹肌收缩进一步减小胸腔容积,增强排气。

3 ROC的工程设计

工程设计的抉择从根本上决定了ROC的生物学功能、实验限制和转化相关性,因此其开发最好被视为一系列相互依赖的决策而非模块化特征的集合:架构确立物理边界条件(包括组织界面、几何形状和变形模式),定义可表达的生理行为;功能整合决定细胞成分、生化/力学线索、生物材料和监测模块是否集成为连贯可控系统,而非孤立添加。这一框架支持对该领域的决策导向解读:选择捕获主导疾病机制所需的最小架构复杂度,仅整合技术上兼容且必要以产生可重复、可转化表型的要素。

3.1 ROC的架构设计

ROC架构已从平面屏障导向的格式发展为结合解剖信息和力学信息的设计,早期平台主要采用简化双层几何结构以实现稳健屏障形成和标准操作(常通过真空驱动膜提供可重复循环应变);近期装置结合区域特异性微拓扑结构,并通过生物启发驱动扩展力学加载的模式和路径,使组织几何和应变分布更接近呼吸生理学,支持新的机制研究,但这些进步常引入制造、通量和操作可重复性的权衡,需与应用目标平衡。
3.1.1 组织界面:从平面屏障到3D ECM支架
生理核心上,呼吸系统依赖上皮-基底膜/间质-内皮屏障,因此双层微流控配置成为基础设计:两个平行上下微通道由多孔膜分离,可通过侧室真空施加循环应变。该配置特别适合建立紧密上皮-内皮连接和分区递送,适用于评估屏障破坏。Transwell基ROC通过将标准化插入件整合到微流控平台进一步增强操作简便性,便于与3D打印组织层兼容:标准化Transwell几何允许水凝胶层直接打印在多孔膜上或嵌入预制3D打印凝胶结构中。尽管有优势,平面膜设计对细胞外基质(ECM)的表征有限(ECM在成纤维细胞活化、免疫细胞迁移和基质重塑中起核心作用)。因此出现无膜配置:相邻微通道由连续3D ECM界面分离(通常通过微柱和相导结构限制)。这些ECM主导设计改善了细胞-ECM保真度,但可能降低标准化并增加对凝胶变异的敏感性,因此最适合以间质重塑或免疫细胞运输为中心的研究;而膜基双层仍更适用于标准化屏障完整性和药物转运/渗透性研究。
3.1.2 解剖地形:从矩形通道到仿生几何
传统单一直线矩形微通道虽适合受控流体处理,但无法复制气道树的层级分支和管状几何。当生物学问题具有空间结构性(结果依赖于暴露位置和分支对局部微环境的影响而非均匀刺激)时,仿生气道几何最具信息量。为近似气道拓扑,多种气道芯片设计引入圆柱管腔或分支架构:一种策略是在ECM支架内生成空心管状管腔(通过凝胶后移除牺牲微棒或整合预制空心胶原管到微流控平台),这类管状结构在管腔尺度气流-壁相互作用或狭窄相关力学背景是研究核心时适用,但在标准化操作和跨平台可比性为首要目标时不具优势。互补策略强调分支架构:例如受支气管树启发的气道芯片在PDMS微通道内重建层级分支模式,实现气流条件下更真实的气溶胶暴露(对吸入给药研究的位点特异性颗粒沉积评估至关重要);近期设计将基质细胞、血管内皮细胞和巨噬细胞整合到分支气道通道周围的时空组织中,近似多细胞气道微环境。对于肺泡区,传统微流控系统通常提供平坦培养表面,产生非生理尺寸的大气囊腔而非被薄隔膜分隔的密集肺泡阵列。架构导向的肺泡芯片采用热成型聚碳酸酯(PC)膜(微曲面特征)、含肺泡样微腔的反蛋白石水凝胶、金属网上的胶原-弹性蛋白阵列近似肺泡地形,这些仿生结构可系统评估曲率和3D空间组织对上皮表型和屏障特性的影响,但增加制造复杂性和降低标准化。尽管这些方法扩展了片上架构能力,但在部分案例中,增加的几何真实性的生物学必要性尚未得到结论性证明,其价值应通过匹配条件下与平面设计的直接比较,并系统改变关键几何参数以分离地形贡献来确定。
3.1.3 呼吸动力学:从2D到3D
生理上,肺是多面环境,呼吸导致肺泡气腔的空间可变变形。第一代ROC采用真空驱动致动产生均匀平面应变,虽适合基础力学生物学研究,但无法复制间质厚度和3D架构差异产生的复杂、区域可变力,因此不能充分捕捉肺气肿或VILI中区域肺泡破裂的异质性应力分布,限制了对结构受损肺的预测能力。为解决此限制,前述架构导向设计和更大规模3D打印结构利用固有曲率将力学致动转化为3D扩张;其他创新包括整合结构色材料,通过应变依赖性颜色偏移实时可视化呼吸诱导变形。除几何细化,生物启发致动策略聚焦于施力模式:集成气动微隔膜产生3D循环应变模式,更接近膈肌收缩诱导的肺泡扩张;其他生物力学方法包括结合聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜与磁性颗粒修饰弹性体膜,在近似呼吸时曲率和拉伸载荷的吊床几何中实现可调力学线索。尽管生理相关性提升,这些力学先进ROC平台通常制造更复杂、限制实时成像光学可及性,且相对平面双层系统降低实验通量,凸显在选择ROC架构进行疾病建模或药物筛选时需平衡仿生保真度与操作实用性(图2)。
3.1.4 涉及呼吸系统的多器官芯片
由于呼吸系统疾病常涉及全身效应或需评估肺外药物代谢,多器官芯片平台成为模拟器官间通讯的有力工具。多器官芯片整合主要通过片上组装或流体耦合实现:片上组装在单一微流控装置内构建多个器官组织;流体耦合通过血管通道互连独立器官芯片,模拟体循环和药物分布。对于流体耦合多器官系统,已整合自动化培养和监测平台以减少人工干预和原位生化参数测量。

3.2 ROC的功能整合

根本上,ROC构建依赖四大核心组件(下文详述):(1)生物因子(包括细胞来源和功能细胞类型的策略选择以复制组织复杂性);(2)化学和物理因子(如生化梯度和机械呼吸运动,对重现动态肺微环境至关重要);(3)生物材料和制造工艺(提供组织结构所需的支架和结构特性);(4)实时监测系统(实现对生理反应的连续评估)(图3)。但仅存在这些组件不足以保证功能,需通过定义的技术路径整合为连贯平台(连接工程与生物学):工程视角下,监测和刺激模块的整合通常在器件制造期间完成——传感器(如跨上皮电阻(TEER)电极、氧传感器)可集成在通道基底实现无创实时监测;预设计的物理刺激能力通过精密配置的管路接口将微流控装置与外部气动致动器或灌注泵耦合,实现受控剪切应力和循环应变施加。硬件组装后,生物学整合根据组织模型依赖三种主要空间配置:细胞在平面多孔膜或水凝胶表面培养以建立屏障功能;封装在3D水凝胶基质内重建间质生态位;或通过血管通道动态灌注模拟循环免疫监视。重要的是,生化和病原刺激通过空间分层路径递送以重现生理暴露模式:系统药物和血源性因子经血管通道灌注,空气传播病原体和气雾化治疗药物施加于顶端表面模拟吸入和沉积。尽管有这些进展,高效整合仍面临技术挑战:流体工程角度,防止复杂微通道内气泡滞留至关重要(滞留空气会阻塞流动、破坏细胞层并干扰传感电极);多管路接口的长期使用需维持无菌性;精确流体处理防止交叉污染并确保微尺度通道内细胞均匀分布;实验室级芯片常依赖手工制造,导致层对齐、键合完整性和膜平整性变异,阻碍向高通量筛选平台的扩展。
3.2.1 细胞来源
细胞来源选择主要由应用优先考虑生理相关性还是筛选通量和可重复性决定,ROC中使用的主要来源包括细胞系、原代细胞、诱导多能干细胞(iPSC)和类器官,各有独特优势和局限。BEAS-2B、A549等细胞系因增殖能力强、易培养、易获取广泛用于药物筛选和疾病建模,但长期传代可能导致克隆选择和培养适应,引起基因表达改变、信号通路失调及与原代人细胞的功能差异;原代细胞直接来自人体组织,更能保留天然生理功能与患者特异性(遗传背景、疾病状态),但增殖能力有限,传代中易发生表型漂移,降低实验可重复性;原代细胞获取还需临床组织收集,受伦理法规和供体可用性限制(尤其健康肺组织);iPSC由患者体细胞重编程,可体外分化为多种功能细胞类型,缓解原代细胞的伦理限制,支持精准医疗和罕见病研究,但分化效率和终末分化细胞功能受诱导方案和培养条件强烈影响,常导致细胞异质性和功能变异性,还可能保留体细胞起源的表观遗传记忆,影响分化后行为和表型稳定性,损害可重复性和转化可靠性;ROC还可与类器官技术整合引入生理相关和患者特异的细胞复杂性,但类器官固有的异质性、批间差异和可扩展性有限仍是标准化和可重复性的重大障碍。
3.2.2 细胞成分与功能整合
体内组织的结构和功能完整性依赖复杂的细胞-细胞相互作用,因此构建生理相关ROC需策略性整合多种细胞类型(包括上皮细胞、内皮细胞、基质细胞、平滑肌细胞(SMC)和免疫细胞),并具有明确空间组织。内皮细胞对建立调节屏障完整性、炎症通透性和血栓形成反应的功能性血管界面至关重要:为重建肺泡-毛细血管单元或血管化气道,通常在多孔膜或水凝胶层一侧表面接种上皮细胞,另一侧接种内皮细胞,这种分层配置重现气-血屏障并恢复上皮-内皮串扰;替代方案是将内皮细胞嵌入ECM水凝胶中支持血管生成样自组织为毛细血管尺度3D网络,这不仅是一种结构增强,更是模拟肺微血管重塑所必需的——此类网络架构允许血流和剪切应力的自适应再分配,并实现免疫细胞外渗和血管周围间质内的基质重塑等耦合过程。值得注意的是,这些网络若无支持细胞很少能达到生理相关的稳定性和成熟:基质细胞(成纤维细胞、周细胞)作为调节介质,提供血管生成信号、促进血管稳定和屏障成熟,并主动重塑ECM;基质-上皮-内皮区室的串扰驱动慢性炎症和纤维化重塑,因此基质细胞可作为ECM嵌入区室整合到ROC中与上皮或血管界面相邻,以维持3D微血管组织和生理相关旁分泌信号及基质重塑。SMC在呼吸系统中具有情境依赖性作用,其整合到ROC应与特定疾病相关输出对齐:解剖上,气道SMC覆盖随软骨支撑减少在细支气管气道更连续显著,而远端气体交换区稀疏且仅与前肺泡气道相关;在气道模型中,SMC是支气管收缩和气道高反应性(AHR)的主要收缩效应器,并通过表型转换和肌肉质量增加促成气道壁重塑,因此整合SMC的气道芯片结合IL-13 priming和力学刺激模拟哮喘相关加重动态;在肺血管模型中,SMC和其他壁细胞调节血管舒缩张力和驱动重塑表型,促使芯片设计强调内皮-壁细胞串扰。免疫细胞的纳入将ROC从静态屏障结构转变为可模拟感染和炎症驱动过程的免疫活性系统,不同免疫亚群提供互补建模能力:体内肺泡巨噬细胞驻留于肺泡腔,循环血单核细胞作为前体招募至炎症组织分化为巨噬细胞,因巨噬细胞不能直接从外周血(单核细胞为主)分离,多数ROC研究通过分化外周血单个核细胞(PBMC)来源的单核细胞或使用THP-1衍生和iPSC衍生巨噬细胞生成巨噬细胞群体;巨噬细胞常引入上皮顶端表面近似肺泡芯片的腔免疫监视,也可置于ECM内或血管内皮附近代表气道模型的间质或血管周围生态位,其对模拟急性肺损伤的炎症屏障破坏和修复过程特别有价值,也适用于结核病(TB)研究(早期肺部感染主要涉及肺泡巨噬细胞)。中性粒细胞(从血液分离或用HL-60细胞分化为中性粒细胞样表型)是慢性气道疾病(如支气管扩张)的主要效应器,通过持续的蛋白酶和氧化剂介导的组织损伤和重塑参与反复感染-炎症循环;在ROC中,中性粒细胞通常通过流动从内皮化血管通道引入,其黏附和跨内皮迁移至上皮区室由炎症激活和趋化因子梯度触发。淋巴细胞通常取自外周血(可用时取脾或淋巴结),使ROC模型能捕捉适应性免疫反应:T淋巴细胞在肿瘤研究中优先(细胞毒性、浸润、耗竭为主要终点),B淋巴细胞在疫苗评估中核心(抗原驱动激活和抗体分泌);在ROC内,淋巴细胞可通过流动从血管通道引入,模拟对趋化信号的招募和组织进入;为模拟高阶适应性反应,T和B淋巴细胞可嵌入3D ECM基质自组织为淋巴滤泡样结构;展望未来,可整合骨髓仿生生态位材料以提供持续造血支持和可补充免疫细胞库,实现呼吸模块在长期培养中程序化递送免疫细胞群体。然而,多种免疫亚群的纳入增强了生理相关性,同时引入额外复杂性:免疫细胞类型间的相互作用可能产生重叠或抵消信号,使个体贡献归因复杂化;此外,免疫反应随供体变异性、分化状态和实验条件显著变化,影响可重复性和一致性。尽管3.2.1节讨论了细胞来源的一般特征,多细胞ROC中支持细胞群体的选择需基于问题驱动的评估(可行性、长期稳定性和可解释性):完全自体单供体组装在概念上对精准医疗有优势,但常受限于样本可用性、有限扩增能力和跨区室不兼容共培养要求;实践中,与研究表型最相关的细胞类型应优先作为主要或iPSC衍生,而支持区室可使用标准化来源以提高操作鲁棒性和纵向稳定性(如上皮中心疾病优先患者来源上皮细胞,血管机制需原代组织特异性内皮细胞,免疫主导问题需原代免疫细胞以保持生理激活和运输行为);因原代来源增加变异性,并行纳入多供体和明确考虑供体效应可在保持可扩展性的同时提高可重复性。总之,ROC中有效的多细胞整合需要疾病驱动和细胞类型特异的设计策略,而非最大化包含所有可能组件,通过合理选择支持细胞类型、免疫群体和整合方法,ROC平台能更忠实地重建呼吸疾病机制背后的多细胞相互作用。
3.2.3 化学和物理因子
化学和力学线索是细胞表型的核心决定因素,对模拟从细胞因子驱动的炎症到毒物诱导的损伤等病理生理背景至关重要。化学因子包括培养基中的生长因子和营养物、pH和氧张力、生物材料的理化性质及药物或环境污染物的存在;重现肺独特的物理化学景观需建立ALI,这一配置不仅对促进上皮分化不可或缺,还能直接暴露于空气传播化学刺激;此外,集成微流控梯度发生器可精确时空控制生化浓度,助力趋化性和药物梯度依赖性反应研究。人类呼吸系统暴露于动态生物力学环境(包括呼吸或机械通气时的循环压缩扩张、血管壁血流产生的剪切应力、气道表面气流及细胞-细胞/细胞-ECM界面的拉伸力),越来越多证据表明这些力学主动调节呼吸组织生物学而非被动背景条件,异常力学线索可显著促进疾病进展。通过捕捉这一维度,ROC揭示了静态系统不存在的力学生物学现象:例如气道芯片研究表明,多纤毛发生期间的流体剪切应力(FSS)指导全局平面细胞极性(PCP)建立并协调单向黏液纤毛流;IL-2诱导肺水肿的肺泡芯片模型中,生理性呼吸运动加剧肺泡-毛细血管屏障破坏;力学还作为免疫信号的上游调节剂——循环应变通过瞬时受体电位香草酸亚型4(TRPV4)和晚期糖基化终产物受体(RAGE)通路增强上皮和内皮区室对病毒感染的先天免疫反应;呼吸运动还被证明抑制肿瘤生长和侵袭,同时增强对药物治疗的耐药性,强调力学线索可根本影响药

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