科學家們讓這種芯片肺能呼吸。然后他們給了它結核病。

結核病困擾著人類已有一段時間數千年盡管醫學進步，可以幫助我們預防和治愈它，古老的細菌性疾病依然存在奪走更多人命每年感染率超過任何其他傳染病原體。

在一項新研究中，研究人員揭示了一種旨在揭開結核病早期階段神秘面紗的裝置，其中包括通常在癥狀出現前出現的特殊延遲。

他們的模型還可能揭示患者遺傳變異如何導致結核病的不同影響，并可能對個性化醫療.

關于我們物種的四分之一感染了結核菌，雖然只有一小部分人會生病，但這仍然超過了新增1000萬例——以及全球每年超過100萬人死亡。

結核病進展緩慢，癥狀通常需要數月才會出現。為了進一步了解這種滯后，作者關注了肺部中微小的氣囊，肺肺泡這些事件發生了免疫細胞與細菌之間的關鍵對抗。

“肺部的氣囊是人類預防感染的關鍵第一道屏障，但我們傳統上是在小鼠等動物身上研究它們。”他說合著者馬克斯·古鐵雷斯，弗朗西斯·克里克研究所宿主-病原體在結核病中相互作用實驗室的負責人。

“這些研究對我們理解至關重要，但動物和人類在免疫細胞構成和疾病進展上存在差異，這激發了對替代技術的興趣，”古鐵雷斯他說.

新興”芯片上的風琴例如，技術使科學家能夠在微流控細胞培養微芯片中模擬完整的人體器官，為動物模型提供了替代方案。

一些“芯片上肺”系統已經存在，但這些模型的局限性促使古鐵雷斯和他的同事嘗試另一種方法。

古鐵雷斯：“直到現在，芯片上的肺設備都是由患者來源和市售細胞混合而成，”古鐵雷斯他說.“這意味著它們無法完全重現單個個體的肺功能或疾病進展，因為每種細胞的基因都不同。”

研究人員為研究開發了一種新的肺芯片，僅包含來自單個人類的基因相同細胞干細胞.

“我們用的是人類誘導的多能型干細胞，這些細胞幾乎可以變成身體中的任何細胞，產生I型和II型肺泡上皮細胞。”他說第一作者Jakson Luk，Gutierrez實驗室的博士后研究員。

“這些是長在膜頂端的，”他補充.“利用相同的干細胞，我們還生產了在膜底部生長的血管內皮細胞。”

這為結核病的“黑匣子期”提供了新穎的視角，即從初次感染到癥狀的出現.

“我們想查找臨床和動物研究中患者中報告的疾病特征，”陸他說.

當研究人員加入免疫細胞時，叫巨噬細胞在引入結核病之前，他們很快注意到巨噬細胞簇中存在“壞死核心”——這是一群死去巨噬細胞夾雜在更大活體巨噬細胞群中。

“最終，感染五天后，內皮和上皮細胞屏障崩潰，顯示氣囊功能失效，”陸他說.

然而，并非每個人的肺部對結核病的反應都相同，因此研究人員還試圖了解遺傳差異如何導致不同的反應。

“我們移除了ATG14基因，它參與了自然降解受損細胞和異物的過程，”陸他說.

“缺乏該基因的巨噬細胞在靜息狀態下更容易發生細胞死亡，感染后會試圖吞噬更多結核菌，證實了該基因在保持免疫防御完整性中的作用，”他說解釋.

還需要更多研究，但陸和他的同事們認為，他們的芯片是實現結核病及其他感染更個性化治療的關鍵一步。

“我們現在可以從具有特定基因突變的人身上制造芯片，以了解像結核病這樣的感染如何影響他們，并測試抗生素等治療的效果，”陸他說.

“芯片支持了個性化醫療的大規模推動，”古鐵雷斯補充.“這可能幫助我們理解遺傳對治療有效性的影響。”

該研究發表于科學進展.

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