Circulation Research （IF16.5）综述

体外建模新范式：多器官芯片在心血管-肾脏-代谢综合征研究中的突破

摘要：心血管-肾脏-代谢综合征等复杂、进行性的功能障碍疾病涉及多器官间的异常交互。多器官芯片作为一种前沿体外建模平台，通过微流控技术整合多组织模块，动态模拟不同阶段的器官间信号传递，为揭示疾病机制和加速临床转化提供了革命性的工具。

 关键词：多器官芯片、心血管、肾脏、代谢综合征

心血管-肾脏-代谢综合征（Cardiovascular-Kidney-Metabolic Syndrome, CKM综合征）是一种系统性疾病，由脂肪、肝脏、肾脏和心脏间的异常交互驱动，表现为慢性炎症、代谢失调和氧化应激，最终导致多器官衰竭。研究表明，90%的美国成年人至少处于CKM综合征的早期阶段（1期），而40%-50%的慢性肾病（CKD）患者因心血管并发症死亡。传统动物模型和二维（2D）细胞培养因物种差异和缺乏动态交互，难以精准模拟其复杂病理，导致临床试验失败率高达80%。

2025年4月10日，美国食品药品管理局（FDA）发布政策及技术路线图，鼓励在新药开发中采用非动物模型，包括器官芯片（Organ-on-a-Chip, OoC）、类器官（Organoid）和人工智能用于新药开发中的安全性测试，以提升临床转化效率^[1]。

器官芯片领域已经蓬勃发展了十年，然而，大多数器官芯片模型基于单个细胞类型或组织，缺乏系统维度和跨器官沟通。多器官芯片（Multi-Organ-on-a-Chip, Multi-OoC）作为一种革命性体外平台，通过微流控技术整合多个组织模块，模拟器官间信号传递，为解析疾病的跨器官机制提供了新工具。《Circulation Research》2025年5月22日刊登的综述系统阐述了多器官芯片在CKM综合征研究中的进展^[2,3]，本文基于此展开介绍。

胃黏膜再生修复、肠癌免疫微环境重塑、胰腺物理屏障突破，这三项研究共同构成了消化道疾病干预的闭环。它们彰显了类器官平台在解码中医药“多成分-多靶点”机制中的不可替代价值，为从炎症性病变到癌症的关键环节干预提供了新的精准工具和策略。

01

CKM综合征建模的科学挑战

器官芯片的核心组成

CKM综合征是一种进行性和系统性的疾病，其特征是异常的器官间通讯网络驱动多个反馈回路，导致多器官功能障碍。其核心病理在于脂肪-肝脏-心肾信号轴的异常交互。脂肪组织功能障碍释放炎症因子（如肿瘤坏死因子-α, TNF-α；白介素-6, IL-6），诱导胰岛素抵抗和系统性代谢失调。心肾轴的非血流动力学交互（如肾素-血管紧张素-醛固酮系统, RAAS）异常加剧心血管和肾脏损伤。美国心脏协会将CKM综合征分期为0-4期，从早期代谢风险（1期）到终末期心肾衰竭（4期）（详见图 1）。许多疾病，如败血症、骨关节炎、痛风、不孕症和神经退行性疾病，都涉及多个器官，凸显跨器官研究的紧迫性。

图 1. 心血管-肾脏-代谢综合征分期及病理生理学. CKM 综合征 0 期至 4 期；临床定义和流行率（ 左侧 ）。心脏、肾脏和代谢器官之间的器官间串扰通过关键信号分子的交换（描绘在中心血管外）传播 CKM 综合征病理。进一步研究将有助于阐明 CKM 综合征中器官间通讯的新介质（在描绘的血管内），以指导新疗法的发展。ASCVD 表示动脉粥样硬化性心血管疾病；CKD，慢性肾脏病；CVD，心血管疾病；EVs，细胞外囊泡；FA，脂肪酸；IL-6，白介素-6；MetS，代谢综合征；RAAS，肾素-血管紧张素-醛固酮系统；TNFα，肿瘤坏死因子α。

传统模型的局限性

要研究CKM综合征的系统性病理，需要通过精密、高仿真的体外模型解析器官间信号网络。传统研究模型（如动物模型、单器官培养）难以精准模拟其复杂的跨器官信号网络与人类特异性病理特征，导致药物研发与机制研究受限，主要原因在于：

动物模型：小鼠、大鼠、兔子、猪、狗和非人灵长类动物等模型因代谢和病理的物种特异性，限制了直接可解释性，很多动物模型也难以重现人类疾病的发展过程。另外，通量有限、伦理问题和高成本进一步限制了其应用。

2D体外培养：心肌细胞、内皮细胞、肝细胞、脂肪细胞等单细胞类型或共培养系统缺乏三维（3D）微环境和器官间动态交互，无法模拟CKM综合征的复杂信号传递。

3D 类器官：类器官、球体、组装体、工程化组织等虽在一定程度上改善微环境模拟，但静态特性和缺乏实时分析组件，限制功能评估。

这些局限导致机制研究和药物开发受阻，亟需高仿真的体外建模工具。多器官芯片通过整合微流控和实时监测，弥补了上述不足。

02多器官芯片技术原理与CKM综合征建模

器官芯片的核心组成

自2010年器官芯片概念问世以来^[4]，在微加工、组织工程等跨学科技术的协同推动下，该领域实现了快速发展。单一器官芯片（如图 2所示 ）具备以下特征：

3D组织结构：通过原代细胞、细胞系或人类诱导多能干细胞（hiPSCs）构建功能性组织，结合水凝胶或工程化基质模拟生理环境。

生物物理刺激：施加脉冲血流、周期性拉伸、压力或电刺激，促进组织正常生长。

实时监测：集成微电极、电化学传感器或光学传感器，提供组织性能的动态监测。

图 2. 单个器官芯片的构建与组装。该类设备使用多种细胞来源构建，包括原代细胞、细胞系以及人类诱导多能干细胞来源的器官祖细胞，这些细胞在优化比例下结合于水凝胶或工程化基质中形成功能性组织。细胞可在设备内通过机械刺激（例如脉冲血流或周期性拉伸）或电刺激进行生长。集成分析组件，如微电极、电化学传感器、光学传感器和应变/阻抗传感器，用于提供组织性能的实时读数。平台的制造是通过微流控、微图案化、注塑成型、软光刻和三维（3D）生物打印等多样化技术实现。细胞分区通过渗透膜完成，表面形貌和纳米加工技术用于引导细胞排列。

多器官芯片的技术突破

多器官芯片通过微流控系统连接多个器官模块，模拟器官间信号传递（如细胞因子、游离脂肪酸），它好比是人体内脏的迷你“局域网”或“小型人体模拟器”，其关键技术包括：

模块整合：心脏、肾脏、肝脏、脂肪等模块通过内皮化微通道连接，支持动态物质交换。

生物力学控制：精确调控剪切应力（0.1-5 Pa）和压力（70-100 mmHg），模拟生理条件。

制造技术：微图案化、软光刻和3D生物打印实现模块化设计，渗透膜和纳米加工引导细胞排列。

多器官芯片支持组合式或模块化连接策略，适用于系统级建模（图 3）。在CKM综合征研究中，其可模拟炎症驱动的代谢紊乱和心肾交互，为药物筛选提供平台。

图 3.  利用多器官芯片模拟CKM综合征的方法。包含心脏、肾脏、肝脏、胰腺和脂肪器官模块的多器官系统，通过内皮衬里微通道连接，可用于 CKM 综合征中复杂器官间信号和可溶性药物反应的系统级建模。连接多个多器官芯片的两种主要策略是组合策略和模块化芯片策略。

CKM综合征的阶段性建模

多器官芯片可针对CKM综合征1-4期设计动态模型，通过模拟不同阶段的病理特征，深入解析疾病进展过程中的关键机制，为药物筛选提供精准平台：

1期：模拟脂肪功能障碍，诱发TNF-α等炎症因子释放。

2期：引入代谢综合征（MetS）因子（如高血糖、高甘油三酯），模拟脂肪-肝脏轴的胰岛素抵抗。

3期：结合亚临床心血管病，研究心肾轴的RAAS异常。

4期：重现临床心肾衰竭，评估系统性代谢损伤。

通过病理性炎症和MetS因子刺激，芯片动态解析疾病进展。例如，2期模型通过高血糖刺激脂肪模块，重现胰岛素抵抗；3期心肾共培养揭示RAAS驱动的屏障损伤。

功能评估与分子分析

多器官芯片可结合实时监测（如生物传感器、阻抗光谱）与终点分析（组学技术、荧光标记），多方面综合解析CKM综合征的器官交互作用，例如：

心脏功能：心力衰竭检测：力传感器/应变传感器评估收缩/舒张功能，多电极阵列（MEA）、钙成像监测电活动，组织染色分析肥大/纤维化。

内皮屏障：阻抗光谱实时监测屏障完整性，荧光葡聚糖标记评估渗漏，一氧化氮和活性氧探针监测内皮细胞或组织的氧化应激水平与血管舒张功能。

免疫细胞：流式细胞术分析骨髓免疫细胞动态，荧光标记或免疫荧光追踪组织浸润，响应刺激的免疫细胞反应。

肾脏功能：肾小球滤过：荧光白蛋白标记泄漏；肾小管屏障：TEER传感器/阻抗监测，被动扩散实验评估通透性；功能运输：生物传感器检测葡萄糖/乳酸转运。

脂肪组织：荧光脂肪酸追踪脂质代谢，胰岛素/葡萄糖挑战评估敏感性，组织染色分析脂滴/纤维化，集成生物传感器进行细胞因子多重检测。

肝脏功能：胰岛素反应、糖异生、脂质蓄积检测，脂肪源性脂肪酸追踪肝脂沉积，CYP酶 P450活性及尿素、白蛋白和乳酸生成评估。

器官间通讯：分泌组学：检测培养基中蛋白/细胞外囊泡/代谢物；分子标记：GFP-CD63追踪外泌体，生物素/增强型邻近标记技术定位分泌源。

通过转录组学、表观基因组学、蛋白质组学、脂质组学和代谢组学对每个组织模块进行深入分析。这些数据可以与功能读数相关联，并与培养基分析相结合，以获得多器官芯片状态的全面信息。此外，分子特征可以与已发表的原始人类组织数据集进行比较，以进一步验证 CKM 综合征模型（图 4）。

图 4. 建立2期CKM综合征的多器官芯片模型。（1）组装心脏、肾脏、肝脏和脂肪组织的独立器官芯片。（2）通过病理性炎症诱导脂肪和肝脏功能障碍，而心脏和肾脏组织在正常培养基中培养。（3）所有组织连接成多器官芯片，并进一步用代谢综合征（MetS）因子或正常培养基刺激。（4）可通过芯片上或芯片外分析方法对每个组织模块进行分析，以解析代谢组织功能障碍对多器官系统（功能及结构上）的影响。组学分析将揭示关键信号通路。EV表示细胞外囊泡；FFA表示游离脂肪酸；MetS表示代谢综合征；RAAS表示肾素-血管紧张素-醛固酮系统。

03技术挑战与未来方向

多器官芯片在CKM综合征建模中面临的挑战，未来还需不断改进：

多器官系统制备难：多器官系统存在制备细胞和组织难度大、需微制造技术、成本高、劳动投入大等问题，且缺乏高密度血管化和器官特异性基质支持与免疫细胞，导致难以捕捉细胞涌现的行为。

血管网络整合：将可灌注血管网络整合到器官模块对实现功能成熟和足够组织尺寸至关重要。通过自组装或嵌入预制毛细血管床可在一定程度上实现，但许多模型依赖原代内皮细胞易发生变异和不稳定，hiPSC衍生内皮细胞是新兴替代方案。

制造材料与接口：未来需开发生物相容、光学透明的材料和生物墨水，克服聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料的缺陷。同时要开发标准化芯片接口平台，容纳可互换模块化器官子单元，以实现大规模制造和商业化。

平台集成和扩展：为在长时间内捕捉组织生理反应，需整合自动化液体处理技术与高通量多维筛选，借助活细胞成像和实时生化分析。计算机视觉和深度学习等人工智能手段的引入可简化数据收集分析。多器官芯片的可扩展自动化生产也至关重要。

流量管理与临床转化：多器官系统通量增加使流量管理更具挑战性，开放并配置微流控设置能提高可扩展性但容易稀释信号分子。多器官芯片预测的临床转化依赖于可测量的标准，需建立公共数据库以加速监管接受。

细胞成熟与基准：hiPSC模型虽具潜力，但细胞成熟度仍是研究热点，需建立成熟细胞基准参数。

细胞系和批次变异：需解决细胞系和批次间变异性。iPSC定向分化协议不断进步，但芯片上分化增加培养基和基质选择复杂性，应标准化使用定义培养基和小分子，还需了解昼夜节律和性别因素影响。

长期建模：CKM综合征慢性病程建模难，多器官芯片平台通常优化为短中期培养，长期模拟进行性病理变化在技术上极具挑战性，且难以维持器官特异性功能和捕获系统反馈回路。

图 5.  多器官芯片（multi-OoC）发展中面临的挑战。 主要障碍包括通过整合细胞异质性和组织血管化来优化器官模块，微加工适当尺寸的设计以重现复杂的生理相关刺激模式，利用自动化实现平台集成和高通量筛选，以及通过基准测试和计算机模拟确保临床相关性。PDMS 表示聚二甲基硅氧烷。

结论：迈向系统性疾病研究的范式转变

CKM综合征的系统性病理凸显了跨器官交互研究的重要性，而传统模型的局限性限制了机制解析与药物开发。多器官芯片通过微流控、3D组织工程和多组学分析，构建了高仿真的体外交互模型，为揭示CKM综合征的炎症、代谢和心肾轴机制提供了强大工具。其在药物筛选、个性化治疗和临床转化中的潜力，标志着生物医学研究的范式正在发生转变，美国 FDA 的最新政策调整，也反映了对这一趋势的战略性响应。我国在多器官芯片研究领域也取得初步进展，未来，我们或许可以在芯片上提前预测一个人的心血管和肾脏健康风险，为精准医疗铺平道路！

参考文献：

[1] 王全军. 如何理性看待药物安全性评价未来走向[N/OL]. 中国医药报, 2025-05-22(01).

[2] Schiattarella G G, Kontaridis M I. Interorgan Crosstalk in Heart Failure and Cardiometabolic Diseases: A Compendium[J]. Circulation Research, 2025, 136(11): 1167-1169. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.125.326720.

[3] Juguilon C, Khosravi R, Radisic M, Wu JC. In vitro modeling of interorgan crosstalk: multi-organ-on-a-chip for studying cardiovascular-kidney-metabolic syndrome[J]. Circulation Research. 2025,136(11):1476–1493. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.125.325497.

[4] Huh D, Matthews BD, Mammoto A, Montoya-Zavala M, Hsin HY, Ingber DE. Reconstituting organ-level lung functions on a chip. Science. 2010;328:1662–1668. doi: 10.1126/science.1188302