本文献是一篇发表于《Advanced Drug Delivery Reviews》期刊2020年的综述文章，由Andreia Sofia Barros（隶属于葡萄牙波尔图大学健康研究与创新研究所及国家生物医学工程研究所）、Ana Costa（隶属于葡萄牙里斯本大学药学院药物研究所）和Bruno Sarmento（通讯作者，隶属于上述波尔图大学研究所以及健康科技高级研究与培训学院）共同撰写。文章题为“构建用于研究吸入药物药代动力学的三维肺模型”，旨在系统性地回顾和探讨利用器官芯片技术和三维生物打印技术构建先进体外肺模型，以更准确地预测吸入药物在人体内的药代动力学和药效学参数。
论文主题与背景 药物开发是制药工业中的关键环节，传统上严重依赖于二维细胞培养和动物模型进行临床前测试。然而，这些模型在预测和转化人体药代动力学和药效学参数方面存在显著缺陷，例如无法完全模拟人体复杂的生理病理微环境、物种间差异以及缺乏动态的机械力刺激。组织工程学的进步，特别是器官芯片和三维生物打印技术的兴起，为创建更贴近真实人体器官生理状态的体外模型提供了革命性工具。这些技术能够模拟活体器官和组织的生理及病理微环境，从而为药物的吸收、分布、代谢和排泄研究提供更真实的平台。本文聚焦于肺芯片和三维生物打印技术，详细阐述了它们在构建用于预测吸入药物PK/PD参数的肺模型方面的应用、进展、材料选择、技术挑战及未来前景。
主要观点阐述
1. 从传统模型到器官芯片：弥补预测鸿沟的必要性 文章首先指出了现有模型的局限性。肺部给药因其局部靶向、高生物利用度和患者依从性好等优点，被广泛用于治疗哮喘、囊性纤维化和慢性阻塞性肺疾病等呼吸系统疾病。然而，新药审批所需的PK/PD评估主要依赖动物模型和静态二维细胞培养。动物模型成本高昂，且物种差异导致数据向人体转化的失败率高。二维细胞培养（如常用的Calu-3和16HBE14o-细胞系）虽然简化了实验，但缺乏细胞外基质、多种细胞类型的相互作用以及关键的生理机械力（如呼吸运动、流体剪切力），无法模拟体内复杂的质量运输和细胞表型变化。即使是更先进的三维静态培养模型（如多细胞球体、水凝胶），虽然改善了细胞-细胞和细胞-ECM的相互作用，但仍无法重现组织-组织界面的分子转运以及动态流动条件。因此，为了更准确地预测人体反应，需要发展能够整合多种细胞类型、ECM并提供生理相关机械刺激的更复杂模型。
2. 器官芯片技术：构建动态仿生微生理系统 器官芯片技术通过将微尺度工程技术与人体细胞培养相结合，创造出能够模拟器官或组织生理和机械功能的微流体装置。文章详细介绍了构建器官芯片的两个核心要素：材料与微加工技术。 * 材料：聚二甲基硅氧烷因其透明、柔韧、易于成型和成本相对较低而成为最常用的芯片材料。然而，PDMS存在疏水性强、易吸附小分子疏水药物、气体渗透性过高导致液体蒸发等缺点，可能干扰实验结果。因此，研究者们正在探索天然材料（如胶原蛋白，能更好地模拟基底膜）、合成材料（如POMAC，可调控降解速率和机械性能）以及混合材料，以结合两者的优势，提高芯片的生物相容性和功能性。 * 微加工技术：软光刻技术是当前制造器官芯片的主流方法，它基于光刻技术制作的模具来成型PDMS等弹性体。微流体技术则是芯片的核心，通过在微米级通道中操纵流体，产生层流和复杂的化学/机械梯度，从而模拟体内的血液流动、营养物质交换和药物分布。微流体设备可以集成泵、阀、混合器和加热器，实现对流体流动的精确控制。文章也指出，微流体技术本身存在局限性，如表面粗糙度影响流动、芯片通常为一次性使用、缺乏细胞选择性黏附模式等，因此需要与生物传感器、多电极阵列等其他技术结合，特别是与三维生物打印技术联用，以构建更复杂的组织微环境。
3. 肺芯片：模拟肺泡-毛细血管界面的复杂功能 肺芯片是专门模拟肺泡-毛细血管界面功能、机械和结构特征的微流体组织工程模型。文章重点介绍了几个具有代表性的设计： * Huh等人的开创性模型：该模型采用三层PDMS结构，中间是一层多孔、柔性的PDMS膜，肺泡上皮细胞和微血管内皮细胞分别培养在膜的两侧，形成肺泡-毛细血管屏障。通过侧面的真空通道施加周期性机械应力，模拟呼吸运动。该模型成功用于研究药物毒性诱导的肺水肿，并验证了药物如血管生成素-1和TRPV4离子通道抑制剂对屏障功能的保护作用。 * Yang等人的肿瘤微环境模型：使用PLGA电纺纳米纤维膜作为细胞支架，更接近天然肺泡膜的厚度，并实现了肺癌细胞、成纤维细胞和内皮细胞的三重共培养，用于研究抗癌药物的耐药性和肿瘤侵袭。 * Andreas等人的集成化模型：该设计集成了流体部分和气动部分，通过微膈膜产生正弦负压，更精确地模拟呼吸运动及其对肺泡屏障的机械应力。 * Zhang等人的多通道模型：采用Matrigel膜分隔内皮细胞和肺泡上皮细胞通道，更好地模拟了细胞-细胞、细胞-ECM的相互作用以及脉管系统的影响，适用于纳米颗粒的肺部安全性评估。 这些肺芯片模型已被应用于药物筛选、毒性测试、肺癌研究和炎症性肺病研究，显示出在预测人体结果方面的潜力，例如用于评估化疗药物的联合作用、研究肺水肿机制以及发现新的抗炎疗法。
4. 器官芯片与药代动力学数学模型的整合 文章强调，将器官芯片与生理药代动力学数学模型相结合，可以极大地增强其预测能力。PBPK模型基于器官解剖和生理参数（如器官大小、血流量）来预测药物浓度分布，但需要大量数据。器官芯片能够提供这些关键的生理参数，并作为PBPK模型的物理实体对应物。通过将代表不同器官的多个芯片腔室以模拟人体血液循环的方式流体连接，可以构建“身体芯片”或“多器官芯片”。进一步地，将PK模型与药效学模型结合，形成PK-PD模型，并与芯片平台联用，能够预测给药后药理效应的时间过程。例如，有研究将包含肝细胞和肿瘤细胞的多器官芯片与PK-PD模型结合，用于评估黄酮类化合物木犀草素的代谢依赖性抗癌活性。这种“芯片上的药理学”平台为理解药物在不同器官间的相互作用和机制提供了更强大的工具。
5. 三维生物打印：用于药物筛选系统的组织构建 三维生物打印是一种通过逐层精确沉积生物材料、细胞和生物分子来构建复杂组织结构的技术。文章指出，其在肺组织工程中面临独特挑战，因为肺具有分支状气道、不同大小的空腔几何结构（肺泡）、多种细胞类型以及需要连接脉管系统。 * 生物墨水：这是3D生物打印的关键，通常是能够形成水凝胶的聚合物。天然聚合物（如藻酸盐、明胶、透明质酸、胶原蛋白）生物相容性好但机械性能和可打印性可能不足；合成聚合物（如PEG、PLA、PCL）机械性能可调但缺乏细胞黏附位点。文章通过表格对比了各类聚合物的优缺点。由于缺乏完全满足肺组织构建需求的生物材料，脱细胞基质作为一种含有天然ECM成分的生物墨水，受到了广泛关注，它能为细胞生长和分化提供更适宜的微环境。 * 在肺模型构建中的应用：尽管直接打印全功能肺组织仍很困难，但3D生物打印已被用于构建更先进的细胞基体外肺模型。例如，Horváth等人使用生物打印技术构建了空气-血液屏障模型，与传统手动接种相比，打印的细胞形成了更均匀、更薄的单层，重现性更好。Wang等人则打印了包含肺癌细胞和凝胶-海藻酸钠基质的3D网格支架，用于研究肿瘤侵袭和转移，该模型比2D培养显示出更高的增殖率和更长的培养时间，更能模拟体内生物学行为。此外，3D生物打印与微流控技术结合，可以一步或分步制造器官芯片，为高通量药物筛选平台的建设提供了新途径。
6. 结论与展望 文章总结指出，开发能够模拟肺组织复杂性并最终替代人体测试的体外模型仍是研究者追求的目标。微流体技术对于创建动态的肺芯片至关重要，但未来需要在芯片工程上做出更多努力，例如集成高分辨率分析技术和实时药物/代谢物检测技术。同时，鉴于PK/PD受多器官影响，整合不同器官芯片以构建“人体芯片”是未来的重要方向。尽管三维生物打印在构建复杂肺组织方面仍受限于材料和组织复杂性，但它已能用于构建模拟肺部特定区域（如鼻腔、支气管、肺泡）的细胞模型，用于评估特定的PK/PD参数。将3D生物打印与器官芯片技术相结合，有望实现更复杂、更仿生的体外模型，从而加速药物发现进程，减少对动物实验的依赖。
论文的意义与价值 本综述系统地梳理了利用肺芯片和3D生物打印技术构建先进体外肺模型的最新进展、技术原理、应用实例以及面临的挑战。它不仅为从事药物输送、药代动力学、呼吸疾病研究和组织工程领域的研究人员提供了一份全面的技术路线图，还清晰地指出了当前技术的瓶颈和未来的发展方向。文章强调了跨学科整合（微工程、细胞生物学、材料科学、药理学）对于推动体外模型发展的必要性。通过展示这些前沿技术如何更真实地模拟人体肺部生理和病理状态，本文有力地论证了其在提升药物研发效率、降低临床前研究成本、以及实现更符合伦理的3R原则（减少、替代、优化动物实验）方面的巨大潜力和科学价值。