微生理系统（MPS）在新药物模式（NDM）毒性测试中的机遇

新药物模式（New drug modalities，NDM）在过去十年中迅速普及。这类模式包括抗体-药物偶联物、嵌合抗原受体T细胞、多特异性抗体、基于核苷酸的疗法以及使用腺相关病毒和慢病毒载体的基因治疗。与传统小分子药物相比，新药物模式通常具有更高的靶点特异性、更好的稳定性、能够作用于以往难以成药的靶点，并可以利用新的作用机制，如调节宿主适应性免疫系统。目前，大多数制药公司的产品组合中除了传统小分子药物外，都包含多种新药物模式。

尽管这些新型疗法对患者具有巨大的治疗潜力，但它们也会触发复杂且往往不可预测的副作用。常见的不良事件包括：ADCs诱导的外周神经病变；ADCs、AAVs和寡核苷酸药物诱导的血小板减少症；AAVs引发的免疫介导的药物性肝损伤；以及T细胞衔接分子和CAR-T细胞治疗导致的细胞因子释放综合征。由于对新药物模式的临床经验相对缺乏，在临床试验前进行彻底的非临床评估对于确保患者安全至关重要。

体内动物模型被认为是经典安全性测试的金标准。然而，尤其是在新药物模式下，使用这些模型进行安全性评估的转化价值有限。这促使制药行业探索使用新方法论来补充或取代传统的非临床安全评估。特别是在涉及免疫系统的情况下，包含人免疫系统组分的体外新途径方法（NAMs）是一种有前途的选择。此外，体外NAMs能够进行无法在动物身上以类似方式开展的机制性研究。

MPS是NAMs的一个子类，利用微工程技术构建复合的、通常具有灌流功能的组织模型。过去十年中，MPS领域取得了巨大进展，已达到被公认为“颠覆性技术”的水平，并在2022年FDA现代化法案2.0中被明确列为药物测试的替代方法。目前，各方正在为特定的使用场景制定标准化流程和方法。MPS具有独特特征，使其区别于简单的二维细胞培养和动物模型，包括可调的细胞组成复杂性、可修饰的组织微结构、动态机制与监测的整合以及多器官连接。这些特征使MPS成为预测新药物模式毒性并理解其潜在机制的有力工具。

1 MPS在捕获新药物模式复杂毒性方面的关键特征

（1）可调的细胞组成复杂性

MPS的一个显著特征是能够整合多种细胞类型，并按照实验要求和研究问题，在健康或疾病状态下重建组织特异性的细胞组织。对于非临床安全评估，这一特征对于剖析特定细胞类型在启动或维持毒性中的作用具有重要意义。

对于新药物模式，不良事件不仅可能源于直接的细胞-药物相互作用，也可能源于多种特化细胞与药物在特定微环境中的级联相互作用。一个例子是CAR-T细胞治疗后的细胞因子释放综合征（CRS），其中肿瘤、适应性免疫、先天免疫与血管系统之间的相互作用被发现在病理毒性机制中至关重要。为此，MPS正在越来越多地整合免疫细胞，以在特定组织中重建先天性和适应性免疫反应。例子包括脂肪组织中的组织驻留巨噬细胞、肝脏中的Kupffer细胞、神经组织中的小胶质细胞、肿瘤相关巨噬细胞，以及通过血管样结构灌流的循环免疫细胞。

另一个需要复杂多细胞相互作用的不良事件是CAR-T细胞和T细胞双特异性抗体治疗后发生的免疫效应细胞相关神经毒性综合征。尽管其病理生理学仍不清楚，但血脑屏障、神经元、小胶质细胞和免疫效应细胞之间的相互作用似乎是毒性发生的重要驱动因素。几个MPS模型已成功重建了人血脑屏障，其中一些还整合了神经组织，用于评估血脑屏障损伤、免疫细胞募集和神经炎症。

将细胞复杂性与精细的细胞来源策略相结合，为理解物种特异性毒性机制并降低首次人体试验前的风险提供了机会。当缺乏药理学相关物种用于安全评估时，这种方法尤其重要。

（2）可修饰的组织微结构

除了细胞复杂性，MPS模型中细胞的空间分布也可以定制，以模拟特定组织的体内微结构。这一特征支持重建组织特异性屏障和实质，为药物转运、细胞运输以及不良药物事件中屏障损伤效应的实时研究提供了有价值的工具。

在毒性研究中，MPS上建立的上皮和/或内皮屏障已被用于多种应用。例子包括：评估CRS期间人血浆中典型检测到的促炎细胞因子对血脑屏障破坏及随后T细胞浸润和单核细胞粘附的影响；TCBs在脉络膜组织中产生的葡萄膜炎副作用；治疗性IL-2诱导的肺水肿；药物诱导的肠道屏障完整性丧失；以及顺铂诱导的近端小管损伤。在研究免疫疗法及其他产生免疫反应的药物的毒性机制时，整合血管内皮至关重要，因为它是循环免疫细胞及其释放的细胞因子的初始接触点。

（3）动态机制与监测的整合

MPS能够整合模拟体内条件的动态机制，包括连续灌流以及生物物理信号如剪切应力和模拟的呼吸运动。相关生物物理信号不仅可以将体外组织培养时长延至数周，还能更好地模拟生理功能和细胞对药物处理的反应。例如，在肺MPS模型中施加机械应变时，IL-2治疗引起的肺泡-毛细血管屏障损伤显著放大，与体内相似。另一个例子是人多能干细胞来源的肾类器官的灌流效应，有利于组织血管化，并使得评估PBMCs作为TCB疗法脱靶效应向三维肾脏组织的外渗和浸润成为可能。

整合动态机制可以与动态监测相结合。MPS的线性流体灌流允许动态采集流出物，并在高时间分辨率下分析信号分子、代谢活性和毒性生物标志物的释放动力学。MPS的光学可及性允许高分辨率实时成像，以研究细胞-细胞相互作用、迁移、形态变化、细胞命运决定、药物定位等与毒性评估相关的时空动态。

（4）多器官连接

连接多个MPS有助于重建多器官间的系统性相互作用。在药物发现过程中早期应用此类系统，有可能揭示单器官模型无法观察到的复杂代谢和毒理学关系。例如，肝-心MPS连接展示了特非那定诱导的心脏毒性通过肝脏代谢的调节，并揭示了小分子药物通过形成hERG活性代谢物而产生的hERG liability。对于新药物模式，尤其是生物制剂，在多器官MPS中重建人类免疫系统尤为重要，可用于研究免疫介导的系统性毒性机制。

2 MPS在建模新药物模式相关临床不良事件中的机遇

（1）CAR-T和双特异性T细胞衔接分子疗法诱导的CRS

细胞因子释放综合征（CRS）是一种由强效免疫效应反应触发的系统性炎症反应，特征是外周血中促炎细胞因子高度升高，可导致系统性炎症、器官损伤、神经毒性甚至死亡。它是与CAR-T细胞和TCB疗法相关的最普遍不良事件之一，其预测极具挑战性。CRS的病理生理学复杂，涉及T细胞、肿瘤细胞、内皮细胞以及局部肿瘤部位和血液循环中的内源性免疫细胞。

非临床体内模型未能可靠预测CRS，部分原因是其症状与移植物抗宿主病难以区分。完全人源化小鼠模型因实现人免疫系统完全重建的困难和高成本而仍具挑战。在TGN1412试验中，非人灵长类模型因猕猴CD4+效应记忆T细胞缺乏CD28表达而未能预测CRS。此外，目前大多数可用的细胞因子释放体外测试系统缺乏相关细胞类型、生理相关的细胞比例以及不同组织之间的相互作用。

MPS模型可填补此空白。许多MPS研究已展示了可以重建CRS发展不同阶段的方法，包括CAR-T细胞循环、向肿瘤外渗、CAR-T介导的肿瘤杀伤、细胞因子释放、局部肿瘤部位血管内皮的激活以及远端器官的血管功能障碍。这些系统还被用于评估临床上典型测量的细胞因子（如IL-2、IL-6、IL-10、TNF-α、IFN-γ、颗粒酶B）的释放。在一个肿瘤MPS中重建CRS样细胞因子释放动力学，使得使用达沙替尼作为药理学开关暂时控制CAR-T细胞活性的干预策略得以验证。

MPS模型已展示了评估内皮屏障通透性、细胞粘附标志物、内皮激活以及血小板和单核细胞粘附的方法。一项研究使用BBB芯片模拟了促炎细胞因子诱导的BBB损伤及T细胞募集，可外推至研究CAR-T细胞在ICANS发展中的作用。将经CAR-T或TCB处理的肿瘤MPS与健康器官模型流体耦合，可实时研究治疗期间远端器官的免疫介导不良效应。

（2）AAV载体基因治疗的免疫介导肝毒性

肝毒性是已获批或处于临床试验中的AAV基因疗法最常报告的临床不良事件。虽然其潜在机制很大程度上未知，但据推测由先天性和适应性免疫反应共同驱动。

AAV的嗜性通常是物种特异性的，限制了非临床动物模型的评估价值。人源化小鼠模型可能解决转化差距，但其低通量、高成本和伦理考虑限制了相关性。原代人肝细胞夹心培养虽可用于评估人肝细胞特异性AAV转导效率，但缺乏肝脏微环境特征（免疫细胞、血管结构）和动态机制，限制了其在免疫介导肝毒性评估中的适用性。多个整合了这些特征的肝MPS在评估AAV介导肝毒性方面具有很高潜力。

许多肝MPS整合了Kupffer细胞，这对AAV的初始先天免疫反应很重要。所有平台都是可灌流的，并适合整合循环免疫细胞。血管结构是重要特征，因为肝窦内皮细胞参与炎症性肝损伤。在所列模型中，只有两个报告整合了循环免疫细胞及其在活化内皮下粘附。模拟血流与循环免疫细胞相结合，反映了无灌流体外模型无法捕获的生理事件。

测量患者中典型观察到的肝酶的能力对于临床转化至关重要。虽然部分研究测量并报告了ALT，但大多数系统未报告临床相关肝酶，而是关注其他损伤标志物。大多数MPS研究使用细胞因子产生作为免疫介导挑战的读数。考虑到AAV与免疫系统的相互作用以及在肝MPS中测量细胞因子的能力，利用MPS模拟临床相关水平的细胞因子产生将是可行的。

预期改进将提高MPS评估AAV介导肝毒性的实用性：高通量能力将支持AAV血清型、启动子和载荷的筛选；长达12周的培养期将反映临床毒性时间框架；多供体测试将代表人群多样性；整合潜在基础肝病和合并用药将模拟与AAV的相加或协同相互作用。

（3）ADC诱导的外周神经病变

外周神经病变是化疗药物的常见副作用。ADCs通过靶向癌细胞的单抗将化疗药物的细胞毒性作用与增加的特异性相结合。然而，外周神经病变仍然是许多已获批ADCs治疗患者的常见副作用。

动物模型的转化相关性因物种差异而受阻。人类体外模型早期利用神经元样细胞系，但缺乏外周神经病变中受累细胞类型的生物学复杂性。使用原代细胞来源的模型面临可重复性和标准化挑战。常用的2D培养无法模拟与外周神经病变相关的局部细胞组织和微结构，如胞体与轴突的空间分离。

已报告多个具有高潜力评估ADC诱导外周神经病变的模型。Kramer等人使用大鼠背根神经节神经元在单芯片装置中展示了化疗诱导的外周神经病变，表现为神经传导速度和峰值振幅降低。Matsuda等人使用大鼠DRG，采用允许平行培养24个芯片的MPS，展示了暴露于化疗药物后胞体和轴突的形态变化。

其他工作描述了使用全人源体外模型。Klim等人和Melamed等人描述了人胚胎干细胞或iPSC向运动神经元的分化，展示了Stathmin-2蛋白在介导运动神经元生长和修复中的关键作用。Spijkers等人发表的模型使用iPSC来源的运动神经元，允许在一个384孔板内平行培养40个芯片，细胞嵌入在细胞外基质中生长，通过暴露于长春新碱展示了剂量依赖性的轴突损伤。Sharma等人通过共培养运动神经元和雪旺细胞形成球状体，允许评估轴突生长、髓鞘形成和神经传导速度。

据作者所知，目前尚无关于ADC诱导外周神经病变的体外研究发表。然而，已报告的几种模型在评估由新药物模式引起的外周神经元毒性方面具有巨大潜力。未来的模型开发将受益于纳入人类感觉神经元而非运动神经元，并根据需要增加支持细胞类型。

（4）ADCs、ASOs和AAV基因治疗引起的血小板减少症

血小板减少症是接受新药物治疗患者的重要不良事件。它是HER2靶向ADC治疗最常见的严重不良事件，其机制与巨核细胞生成受损有关。在两个ASOs临床试验中，血小板减少症被报告为严重不良事件。血小板减少症是血栓性微血管病的特征之一，也可影响接受AAV基因治疗的患者，虽然相对罕见但结局可能致命。AAV治疗后的血栓性微血管病（TMA）被证明依赖于抗衣壳抗体。

由于获取骨髓活检的技术和伦理障碍，评估药物对人骨髓造血细胞的毒性具有挑战性。非人灵长类研究对ASO诱导血小板减少症的机制提供了有限见解。小鼠模型因种间差异而价值有限。人源化小鼠模型仍有鼠源细胞影响的限制。体外2D模型缺乏HSC发展相关表型所需的结构和相互作用。凭借可调的细胞复杂性，MPS使得在更生理性的组织微结构中研究药物诱导血小板减少症成为可能。

当前相关MPS范围从骨髓-芯片到血管炎症-芯片。Chou等人和Glaser等人的骨髓-芯片通过整合HSCs实现多谱系分化来模拟骨髓生态位，已用于研究药物毒性。可使用这些模型评估巨核细胞毒性。Blin等人和Thon等人创建了血小板生成器微流控模型，利用剪切力从巨核细胞形成血小板，可用于评估药物对血小板形成的影响。

TMA表现为微血管血栓形成。Hao等人、Zhang等人和Barrile等人包含血管和血小板的模型可用于研究AAV给药后的血栓形成。Ehlers等人的血管炎症-芯片模型可用于检查TMA相关的血管损伤，读数包括TEER、ICAM-1和VE-钙粘蛋白表达以及内皮形态变化。未来可将中性粒细胞整合到系统中，因为它们起重要作用。由于AAV治疗中的TMA涉及抗体依赖性补体激活，可将血管MPS与淋巴结-芯片连接以实现多器官连接，从而产生抗体。此外，可测量针对AAV衣壳的抗体作为可能导致TMA的介质。

3 MPS的当前局限性与未来机遇

（1）技术考量

MPS的可调细胞复杂性和在动态微环境中结合多种特征的能力是其独特优势。免疫组分的整合至关重要，因为许多新药物模式与免疫系统相互作用。然而，对于每个使用场景，模型的复杂性应始终与通量、成本和稳健性谨慎平衡。

在从简单系统转向复杂多细胞类型模型时，细胞来源方面出现重要物流考量。在某些需要供体匹配的使用案例中，获取自体组织可能具有挑战性。患者多样性和供应连续性是额外挑战。并非所有细胞类型都能无限供应，这给与历史数据比较带来挑战。需要制定指导方针，包括多供体组以及严格的质量控制标准。

可制造性、材料选择、易用性和通量是通常与学术开发的MPS相关的挑战。商业开发者已解决这些问题，使得由玻璃、聚苯乙烯和环烯烃共聚物等材料制成的MPS现已商业化。一些MPS供应商采用重力驱动灌流和微孔板标准化，如今允许与所有实验室仪器和流程完全兼容。

（2）制药行业的采纳

非临床安全性测试高度依赖经验，形成了复杂的程序和法规体系。由于患者安全至关重要，该领域天生规避风险，对替代现有标准的要求极高。随着新药物模式的出现，行业和监管机构进入相对未知的领域。癌症治疗领域由于急需变革性药物，已成为创新体外模型安全评估的先驱。

MPS的采纳在法规安全背景下尤其缓慢，部分原因是对模型预测价值的信心有限。这可以通过定义参考化合物验证流程来克服，这是IQMPS小组的工作重点。此类验证流程加上制药行业用例的增加，将提高对MPS预测能力的信心。

利益相关者之间缺乏协调也导致MPS采纳缓慢。学术和商业开发者致力于模拟生理组织，而制药行业专注于预测人类反应。加强对话和教育，将资助引向更具行业相关性的问题至关重要。开发者应专注于与行业需求一致的创新，商业开发者应致力于与终端用户合作验证模型，制药行业应更主动地沟通需求，防止过度宣传。

行业对NAMs的视角也在演变。最初，MPS用于安全评估被视为理想目标，但不良事件的复杂性被低估。相比之下，利用NAMs进行疾病建模似乎更容易实现。通过将安全性终点作为次要关注点整合进疾病模型，可以实现更高效、更全面的药物评估。这种趋势反映了药物开发方法的成熟，NAMs/MPS越来越多地因其潜力而受到认可。

引文：Maulana T.I., Wevers N.R., Kristoforus T., et al. (2025). Opportunities for Microphysiological Systems in Toxicity Testing of New Drug Modalities. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 65: 47-69. https://doi.org/10.1146/annurev-pharmtox-061724-080621