人体微生理系统（MPS）在药物开发中的机遇与挑战

药物开发中的非临床阶段长期依赖于二维细胞培养模型和动物实验。然而，这些传统模型存在显著局限：二维细胞培养缺乏三维结构、组织灌注及必要的微环境信号；动物模型则因物种间的免疫反应、代谢、病理生理学和微生物组差异，难以准确模拟人体生理条件。这些不足已成为药物研发高失败率和高成本的重要原因。

为应对上述挑战，新途径方法（NAMs),尤其是人体微生理系统,应运而生。本文基于Rahman等人于2025年发表在《ALTEX》期刊上的综述《人体微生理系统在药物开发中的机遇与挑战》，对该文的核心内容进行系统梳理。该综述系统阐述了肝脏、肠道、肺脏和心脏MPS在疾病建模、安全性评估和药代动力学研究中的潜在应用，分析了关键的技术参数与终点指标，探讨了细胞来源、可重复性、多组织整合等核心挑战，并强调了学术界、产业界与监管机构协同制定标准化方案的重要性。

微生理系统（MPS），也称为组织芯片或器官芯片，利用微尺度细胞培养平台模拟人类或动物特定组织或器官的功能特征。通过向细胞提供模拟其功能或病理生理状态所需的微环境——包括三维微结构、剪切力和机械应变——MPS能够比传统模型更准确地模拟人体对药物和毒素的反应。此外，MPS符合动物实验的3R原则（替代、减少、优化），有望减少动物实验的需求，并降低动物研究固有的变异性。

目前，大部分MPS尚不具备高通量能力。高通量指能够并行自动筛选多种化合物的能力，但高通量与功能性之间存在权衡：高通量系统通常需要较少的细胞数量，可能影响功能反应测量的准确性；而低通量系统则允许更全面的功能测量，提供更深入的生物学响应认知。

1 肝脏微生理系统

（1）肝脏MPS的生物学基础

肝脏执行多项重要生理功能，包括调节全身葡萄糖水平、胆固醇稳态、内源性和外源性物质代谢以及血浆蛋白合成。肝脏功能高度依赖其复杂结构、独特的血管化、高表达的药物代谢酶以及多种细胞类型。因此，在体外研究中重建肝脏特化的微环境对于评估新疗法的代谢、毒性及疗效至关重要。

传统二维肝细胞培养系统面临显著局限：原代人肝细胞在二维培养中表型迅速退化，重要的药物代谢酶和转运蛋白表达持续下降，限制了其在早期毒性终点之外的应用。三维组织培养模型近年来得益于微流控平台的重大发展，能够维持肝细胞功能数周，白蛋白和尿素输出可达到与人体肝脏组织相当的水平。

（2）肝脏MPS的关键特征

肝脏MPS相比传统系统具有多项优势：形成功能性胆小管并正确定位胆汁转运蛋白；允许多种肝脏细胞类型的共培养，更好再现体内组织结构和功能；可精确控制培养基成分、流速、剪切力、营养供应和氧饱和度。此外，肝脏MPS能够更好地再现肝脏分区现象、胆管网络和细胞极化等重要生理特征。互联MPS的发展进一步提高了体外研究向体内生物学转化的可能性，有助于解决药物性肝损伤和炎性肝病等复杂生物学问题。

（3）挑战与局限

细胞来源选择是肝脏MPS面临的主要挑战：人永生化细胞系或癌细胞系虽可连续传代，但药物代谢酶和转运蛋白表达降低或改变；原代人肝细胞虽表达最高水平的药物代谢酶和转运蛋白，但存在供体差异、数据可重复性问题及细胞可获得性限制；干细胞来源的肝细胞表现出更接近胎儿的肝脏表型。

其他挑战包括：氧气输送到肝组织欠佳、复杂微血管系统的重建困难、多数商业化系统缺乏胆汁流出道收集通道等。此外，标准化基准的建立对于提高数据可信度至关重要。药物开发与监管科学创新与质量微生理系统联盟已发表指南，用于评估肝脏复杂体外模型的基线性能和模型灵敏度。

（4）药物开发应用

肝脏MPS可用于测量治疗和毒性浓度、表征药物代谢和转运体效应、评估药物-药物相互作用以及理解影响药物浓度的机制，这些数据可整合到临床药理学模型中以指导临床研究设计。将肝脏MPS数据整合到定量系统药理学框架中，有望增强药物发现和开发过程。

多器官连接研究已取得重要进展：一项研究表明，肝脏介导的槲皮素生物活化导致其葡萄糖醛酸苷化，抑制了动脉粥样硬化的炎症反应并增强了癌症前药的抗肿瘤疗效；另一项研究在人体肝脏-肾脏多器官芯片中模拟了维生素D的肝脏代谢和肾脏生物活化。

（5）疾病模型应用

肝脏MPS可应用于动物模型难以表征或由多种细胞介导的疾病，如脂肪性肝病、肝纤维化和转移性肝癌。例如，携带PNPLA3基因单核苷酸多态性与肝脏脂肪变性、纤维化、肝硬化和肝细胞癌相关，但动物模型中该基因的表达和组织分布存在显著的物种差异。MPS平台在非酒精性脂肪性肝炎模型方面已取得进展，其转录组谱与患者样本的临床NASH谱密切相关，并表现出可量化的纤维化表型。

此外，肝脏微流控装置在病毒性肝炎研究方面也有所进展，包括构建肝脏窦状隙芯片模型监测乙型肝炎病毒复制，以及利用微流控培养装置研究丙型肝炎病毒诱导的免疫反应。

（6）生物标志物

肝脏MPS中常用的生物标志物包括：用于肝细胞损伤诊断的谷丙转氨酶和天冬氨酸转氨酶；反映肝细胞活力的谷氨酸脱氢酶；用于检测胆汁淤积的碱性磷酸酶；以及其他如细胞角蛋白-18、microRNA-122等标志物。研究显示，在某些体外MPS研究中，白蛋白水平相比谷丙转氨酶对药物诱导的毒性更为敏感。

（7）监管应用前景

药物性肝损伤是临床试验中药物失败的主要原因之一。与传统培养方法相比，三维MPS平台在基线肝组织功能和结构、模型灵敏度和特异性方面均有改善。一项研究表明，肝脏芯片在检测已知肝毒性和非毒性药物方面的灵敏度达87%，特异性达100%，优于传统模型。将MPS数据整合到监管决策过程中的框架已在讨论中，但仍需监管机构和行业组织的进一步协商。

2 肠道微生理系统

（1）肠道MPS的生物学基础

小肠通过其巨大表面积和特化的跨膜蛋白高效吸收营养物质和外源性物质。其上皮形成极化的绒毛-隐窝结构，在管腔侧含有分化肠上皮细胞，隐窝内含有肠道干细胞。该动态上皮在药物吸收和首过代谢中发挥关键作用，尤其对于口服药物（约占人类用药制剂的90%）。

MPS技术通过整合不同模态，促进细胞分化并模拟肠道系统的内在功能。与传统二维培养相比，肠道MPS可整合可渗透膜模拟肠道屏障、蠕动样运动或流体运动的力学信号、传质动力学以及宿主-微生物组相互作用。

（2）关键特征

肠道MPS中，极性肠道结构的形成不仅限于细胞系，还扩展到原代人肠上皮细胞和干细胞来源的肠道上皮。这种形态发生伴随杯状细胞分化增加、粘蛋白产生增加以及代谢活性显著增强。转录组学分析和药物渗透性数据表明，蠕动样运动和动态流体流动对于实现接近人体肠道生理特征的细胞表型至关重要。

（3）疾病模型应用

肠道MPS已被用于模拟炎症性肠病。研究显示，将免疫细胞和脂多糖与Caco-2细胞结合，可释放促炎细胞因子，损伤绒毛并损害肠道屏障完整性。另一项研究利用优化的细胞因子混合物处理微流控芯片中的Caco-2细胞，复现了肠道屏障完整性受损和炎症细胞因子产生增加两个主要IBD特征。

在结直肠癌模型方面，肠道MPS不仅实现流体流动和蠕动样运动，还整合了微生物组，使其成为研究转移机制和肠道微生物组在结直肠癌进展中作用的优越工具。患者来源的原发性结直肠癌细胞与相关细菌的共培养研究揭示了具核梭杆菌的促肿瘤效应以及鼠李糖乳杆菌的抗肿瘤效应。

（4）生物标志物

评估肠道屏障完整性和功能性的标志物包括：P-糖蛋白和乳腺癌耐药蛋白的外排活性、PEPT1和OATP2B1的药物转运活性，以及药物代谢酶的表达水平。用于检测肠道损伤和毒性的标志物包括：肠脂肪酸结合蛋白（肠上皮细胞损伤）、二胺氧化酶（小肠粘膜病变）、L-瓜氨酸和miR-194。跨上皮电阻和阻抗测量可在无创条件下检测屏障功能变化。

（5）监管应用前景

肠道MPS在药物渗透性评估和生物药剂学分类系统生物豁免监管申报方面具有潜在应用价值。研究表明，动态肠道MPS中测试的高渗透性和低渗透性化合物的渗透率值与BCS分类一致。然而，目前尚无普遍认可的指南或已发布标准用于评估肠道MPS的质量，需要建立全面的质量控制标准以确保平台的可靠性和可重复性。

3 肺部微生理系统

（1）肺部MPS的生物学基础

肺部可通过吸入途径实现非侵入性药物递送，绕过肝脏首过代谢。肺组织含有约60种细胞类型，共同参与吸入物质的清除、代谢或吸收。吸入疗法利用肺部巨大的表面积和高效的气体交换机制，在治疗哮喘和慢性阻塞性肺疾病等呼吸系统疾病中发挥关键作用。然而，吸入药物成功上市的概率仅约3%，远低于其他治疗领域的6%至14%。

（2）关键特征与挑战

肺部MPS通过整合流体流动和机械拉伸等生理输入，提供比静态细胞培养更符合生理条件的细胞生长环境。然而，肺MPS仍存在局限：在体外重现整个肺部结构具有挑战性，通常导致简化表征；MPS的封闭式设计限制了雾化药物的递送；某些细胞类型如平滑肌细胞在现有肺MPS中常常缺失。

（3）药物代谢与毒性测试

I相和II相代谢酶在肺部均有表达，特别是棒状细胞和II型肺泡细胞。动物模型进行的药物代谢研究常因物种间代谢差异而无法准确反映人体情况。肺MPS已用于评估肺部药物的代谢和清除，毒性评估可通过乳酸脱氢酶释放、屏障完整性、粘蛋白产生、细胞活力和细胞因子释放等多种生物标志物进行。

（4）疾病模型应用

肺MPS已成功复现哮喘、COPD、肺血栓形成以及SARS-CoV-2、流感和大肠杆菌感染等多种肺部疾病的病理生理学特征。将携带囊性纤维化跨膜传导调节因子基因突变的原代人细胞接种于MPS中，可复现囊性纤维化的多种生理反应。

（5）质量评估与终点选择

肺MPS质量评估参数围绕可重复性、生理相关性和功能性展开。气道上皮细胞的常用标志物包括：纤毛细胞的β-4微管蛋白、杯状细胞的MUC5AC、基底细胞的细胞角蛋白5、棒状细胞的CC10。肺泡MPS需评估I型肺泡细胞标志物AQP5和II型肺泡细胞标志物SFTPB。生理反应终点包括呼吸样运动、粘液和表面活性物质产生、纤毛摆动和清除机制。

4 心脏微生理系统

（1）心脏MPS的生物学基础

心血管疾病仍是发达国家的主要死亡原因，心脏不良反应是药物研发失败的主要因素。三维心脏MPS相比二维系统具有改善的细胞间相互作用、提高的功效和毒性评估可靠性等优势。心脏MPS整合了用户友好的功能指标，可提供对心脏功能的全面认知，包括电生理学、细胞内钙、收缩性和细胞结构组织。

（2）挑战与局限

细胞系选择至关重要。iPSC来源的心肌细胞虽可通过优化的分化方案和延长的培养时间增强表型和功能成熟度，但完全重现成熟心脏组织的完整生理功能和电生理特性仍面临挑战。理想的心脏MPS应能够以最小干扰测量电生理特征、钙瞬变、收缩性、细胞形态测定等参数。由于样品制备、质量控制、成像和数据处理的要求复杂，心脏MPS的通量较二维系统低。

（3）疾病模型与药物开发应用

心脏MPS在药物安全性筛选方面的应用包括：评估与药物诱导的心脏毒性相关的促心律失常标志物；进行浓度-反应关系研究以了解剂量阈值和心脏毒性相关机制。在个性化医疗领域，MPS条件可针对个体患者心脏特征进行定制。

心脏MPS在疾病建模方面也取得进展：通过调节心肌细胞与心脏成纤维细胞的比例可模拟心脏纤维化；利用携带限制性心肌病突变的iPSC心肌细胞结合工程化心脏组织可复现限制性心肌病的临床特征。FDA开发的基于三维iPSC来源心肌细胞的心脏收缩力调节工具，比传统二维方法更准确地复制人体心脏组织条件。

（4）监管影响

从监管角度看，心脏MPS在药物开发中的应用具有显著优势：提供更符合生理条件的模型，改善药物对人类心脏功能影响的预测；允许在受控环境中测试更广泛的药物浓度和组合，发现传统检测中可能未被发现的不良反应。心脏MPS促进对心脏组织屏障的药物渗透性评估，指导制剂策略和优化药物向心脏的递送。

5 总结与展望

美国FDA和欧洲药品管理局等监管机构已开始认识到MPS在提高临床研究预测性和降低人体试验不良效应风险方面的潜力。FDA现代化法案2.0将非动物或基于人类生物学的测试方法纳入“非临床测试”的法定定义，授权使用基于细胞的检测、MPS、生物打印或计算机模型来研究药物的安全性和有效性。

产业调查显示，所有受访制药公司均肯定MPS在药物安全性筛选、ADME和药理学方面的价值，其中80%的受访者表示使用MPS指导非临床阶段的候选药物选择。然而，由于缺乏监管机构的明确指导，制药公司通常在监管申报中排除MPS数据。

MPS的挑战和局限包括：标准化平台、确保模型可转化性、可重复性和平台稳健性；细胞类型选择（原代细胞、细胞系或iPSCs各有优劣）；药物在细胞培养基中的稳定性；药物与MPS构建材料（尤其是PDMS）的非特异性结合；多器官整合以实现全身相互作用的精确模拟。

为促进监管接受和MPS融入常规药物开发流程，学术界、工业界、监管机构和工具开发者之间的合作至关重要。FDA预测毒理学路线图明确支持和发展MPS及其他新方法学。NIH共同基金建立的Complement-ARIE项目旨在加强基于人体的新方法学的开发、标准化、验证和使用。考虑到学术机构的持续研究、监管机构的进展以及促进监管机构与产业利益相关者互动的各种国际联盟的努力，MPS的未来充满希望。

参考文献

Rahman S.M., Krishna A., Sullenberger C., et al. (2025). Opportunities and Challenges for Human Microphysiological Systems in Drug Development. ALTEX, 42(2): 224-256. doi:10.14573/altex.2409221