關節疾病擁有非常龐大的患者群體，僅骨關節炎（OA）患者在全球范圍內就有3.43億之多。關節疾病使患者行動力和靈活性受限，同時伴隨著不同程度的疼痛，嚴重降低病人生活質量。隨著中國以及世界人口的老齡化及肥胖人群的增加，關節疾病所帶來的經濟社會負擔將持續加大。

目前，包括OA在內的很多關節疾病尚無有效的治療藥物。新藥研發面臨著超長研發周期、巨大研發成本和極低的成功率等挑戰，其背后的原因包括現有測試模型的固有局限（如動物和人之間的種間差異）、對于病因的認知不足以及病人之間的個體化差異等。因此，建立具有臨床相關性及高通量篩選能力的精準模型是藥物研發面臨的緊迫的任務。

據麥姆斯咨詢報道，為解決以上問題，來自匹茲堡大學（University of Pittsburgh）的研究團隊利用骨髓間充質干細胞（hBMSC），構建了名為“miniJoint”的多組織膝關節器官芯片。該研究的相關成果以論文形式發表在Advanced Science。

膝關節器官芯片miniJoint的構建流程

首先，研究人員收集了20名捐獻者的hBMSC并將其包覆在水凝膠支架中。研究者利用組織工程原理誘導hBMSC進行21-28天的定向分化，獲得了具有膝關節軟骨-軟骨下骨（cartilage-subchondral bone）、滑膜（synovium）和臏下脂肪墊（IPFP）表型的三維組織（組織名稱分別為OC、SFT和AT）。為了在同一支架中獲得軟骨-軟骨下骨這一雙相組織，研究者利用3D打印制備了一個雙通道生物反應器，對支架兩端的hBMSC使用不同的生長因子進行刺激。經過28天的動態三維培養，形成了緊密接觸、自然過渡、兩相可相互交流的OC組織。

隨后，研究者將各組織整合于3D打印的芯片腔體中，構建多組織的miniJoint器官芯片。在miniJoint芯片中，OC的軟骨部分和AT、SFT共享“模擬關節滑液”的培養基，并以此共享培養基作為三種組織間相互交流的媒介。更為重要的，各組織在miniJoint芯片中能維持其各自表型與功能長達至少四周，顯示了該培養體系的獨特優勢。

在miniJoint芯片中共培養4周后，OC、SFT和AT的表型和功能表征

為構建關節炎模型，研究人員利用白介素1β（IL1β）對SFT進行刺激以模擬滑膜炎。不同于目前常用的體外模型，軟骨組織并未直接接受IL1β刺激，這樣可以研究滑膜炎導致軟骨降解的過程。

miniJoint芯片中發炎關節模型的構建和表征

經過7天的誘導，SFT以及芯片中其余組織均觀測到病變。除了組織學染色、免疫組化/熒光，研究者也利用了RNA測序對關節炎指標進行分析，且將miniJoint中的軟骨組織與人體軟骨樣本、小鼠（常用于構建OA動物模型）的軟骨組織進行RNA測序數據的對比分析，證實了miniJoint具有很強的臨床相關性。同時，通過對“模擬關節滑液”成分的分析，也闡明了miniJoint在探索關節炎生物標志物（biomarkers）的潛能。

來源于人與miniJoint的軟骨組織中共同的顯著富集通路

最后，研究人員利用miniJoint疾病模型測試了Naproxen、fibroblast growth factor 18（FGF-18）、sclerostin、SM04690和IL-1 receptor antagonist（IL-1RA）五種潛在的OA藥物，并探究了模擬“全身給藥”和“局部給藥（關節腔注射）”兩種給藥方式的可行性，證明了miniJoint在關節炎藥物開發中的巨大潛力。

目前，該團隊在進一步優化miniJoint，包括引入其他的關節組織及模擬力學環境等。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/advs.202105909

審核編輯 ：李倩