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研究的主要作者与机构及发表信息
这篇研究由Queeny Dasgupta、Amanda Jiang、Amy M. Wen、Robert J. Mannix等主要作者完成，他们分别来自波士顿儿童医院和哈佛医学院血管生物学项目部、哈佛大学Wyss生物启发工程研究所、以及哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院。该研究于2023年发表在《Nature Communications》期刊上，文章的DOI为10.1038/s41467-023-42171-z。
学术背景
这项研究属于生物医学领域，特别是辐射损伤与肺部疾病的研究方向。急性辐射诱导肺损伤（Radiation-Induced Lung Injury, RILI）是一种由于放射性灾难或癌症放疗导致的严重健康问题。RILI通常表现为急性肺炎和随后的肺纤维化，但目前对其分子机制的理解仍然有限。此外，现有的动物模型难以完全模拟人类肺部对辐射剂量的敏感性，而传统的体外模型又缺乏生理相关性。因此，研究人员开发了一种基于“器官芯片”技术的人类肺泡芯片模型（Lung Alveolus Chip），以更精确地模拟RILI的关键特征，并探索潜在的治疗策略。本研究旨在通过这种新型模型揭示RILI的分子基础，并评估两种药物（洛伐他汀和泼尼松龙）对RILI的抑制效果。
研究流程
研究分为多个步骤进行：
模型构建与实验设计
研究使用了两通道微流控芯片（Chip-S1），其核心是由多孔膜分隔的两个通道，分别种植了人原代肺泡上皮细胞和肺微血管内皮细胞（HMVEC-L）。芯片在动态流体流动和周期性机械拉伸（模拟呼吸运动）条件下培养14天，形成具有完整屏障功能的肺泡-毛细血管界面。第15天，芯片暴露于伽马射线（剂量范围为0至16 Gy）。为了增强模型的生理相关性，研究还引入了人外周血单核细胞（PBMCs）以模拟免疫反应。
DNA损伤检测
在辐射后2小时和6小时，通过免疫荧光染色检测53BP1焦点的数量来评估DNA双链断裂（DSB）的程度。结果显示，辐射剂量越高，DSB数量越多，且内皮细胞比上皮细胞表现出更大的损伤。
炎症反应与屏障功能分析
辐射后24小时和7天，通过细胞因子分析和屏障渗透性测定评估炎症反应和组织屏障功能的变化。结果表明，PBMC的存在显著增强了炎症反应，并导致屏障功能的破坏。
转录组学分析
在辐射后6小时和7天，提取芯片中的RNA进行转录组测序（RNA-Seq）和基因集富集分析（GSEA）。通过这些分析，研究人员确定了RILI相关的差异表达基因（DEGs）及其调控通路。
药物干预实验
使用洛伐他汀（Lovastatin）和泼尼松龙（Prednisolone）处理芯片，以评估它们对RILI的抑制作用。洛伐他汀通过上调血红素加氧酶-1（HMOX1）减轻DNA损伤和炎症反应，但长期使用可能导致屏障功能恶化。
主要结果
1. DNA损伤与细胞周期停滞
辐射后6小时，上皮细胞和内皮细胞均表现出剂量依赖性的DNA损伤，且内皮细胞的损伤更为显著。转录组学分析显示，辐射抑制了E2F靶标、有丝分裂纺锤体和G2M检查点相关基因的表达，同时激活了上皮-间质转化（EMT）和炎症反应相关通路。
炎症反应与屏障功能破坏
辐射后24小时和7天，PBMC的存在显著增强了炎症反应，包括IL-6、IL-8、TNF-α等细胞因子的上调。此外，屏障渗透性显著增加，特别是在16 Gy剂量下，这与临床观察到的RILI特征一致。
HMOX1的关键作用
转录组学分析结合NEMOCAD算法揭示，HMOX1可能是RILI的核心调控因子。实验进一步证实，洛伐他汀通过上调HMOX1减轻了DNA损伤和炎症反应，但长期使用可能导致屏障功能恶化。
药物干预的效果
洛伐他汀和泼尼松龙均能显著减少辐射引起的DNA损伤和炎症反应，但洛伐他汀在早期阶段的效果更为显著。然而，洛伐他汀在长期使用中可能加剧屏障功能的破坏，而泼尼松龙则对某些细胞因子（如IL-8和TNF-α）的抑制效果有限。
结论与意义
这项研究表明，人类肺泡芯片模型能够有效模拟RILI的关键特征，包括DNA损伤、屏障功能破坏、炎症反应和细胞肥大。通过该模型，研究人员不仅揭示了HMOX1在RILI中的双重作用，还评估了洛伐他汀和泼尼松龙的治疗潜力。这一模型为研究RILI的分子机制提供了重要的工具，也为开发新的辐射防护药物奠定了基础。
研究亮点
1. 创新模型：人类肺泡芯片模型首次成功模拟了RILI的关键特征，填补了传统模型在生理相关性方面的不足。
2. HMOX1的新角色：研究揭示了HMOX1在RILI中的双重作用，既具有保护作用，也可能在长期上调时导致屏障功能恶化。
3. 药物筛选平台：该模型为评估潜在辐射防护药物提供了一个高效的筛选平台。
其他有价值的内容
研究还强调了PBMC在模拟RILI中的重要性，指出免疫细胞的存在显著增强了炎症反应。此外，研究提出了将肺泡芯片与其他器官芯片连接的可能性，以探索全身性辐射损伤的系统效应。这些发现为进一步优化模型和扩展其应用提供了重要方向。