骨髓芯片模型揭示人类免疫细胞发育机制

美国国立卫生研究院（NIH）资助的一个科学团队开发出一种实验室模型，能够揭示产生抗体的浆细胞如何在人类骨髓中迁移、成熟和存活。骨髓是长寿命抗体产生浆细胞的主要驻留部位。该平台将模拟淋巴结的类器官与模拟骨髓的组织芯片相结合，使科学家能够观察浆细胞发育的关键阶段，而这些阶段此前在人类中难以研究。对组织芯片中细胞的分析提供了重要的新信息，有助于推进对浆细胞发育和功能的理解。该模型还支持针对感染预防、过敏抑制和自身免疫减轻的新疗法测试。相关研究发表在《Science Advances》上。

模拟骨髓微环境

NIH下属国家过敏和传染病研究所（NIAID）代理主任John H. Powers III医学博士表示：“这一创新生物工程平台为了解人类免疫系统功能中一个隐藏的方面提供了窗口。通过在淋巴和骨髓芯片系统中模拟免疫系统的关键要素，该工具为获取现有模型无法提供的新见解创造了机会。”

浆细胞是免疫系统的重要组成部分，它们产生抗体帮助抵御感染，但当抗体产生出现异常时，也可能导致自身免疫病和过敏。如果浆细胞过度增殖，还可能引起血液癌症。骨髓中的长寿命浆细胞对于维持抗体产生以及感染或疫苗接种后的长期免疫至关重要。然而，这些细胞如何迁移并定居于骨髓，以及它们在人体中如何被维持，此前仍知之甚少。

佐治亚理工学院（Georgia Tech）生物工程Carl Ring家族教授、免疫工程中心主任Ankur Singh博士表示：“我们的方法一直致力于解决基本问题，并推进将这些发现转化为应用。我们的研究解决的一个基本问题是：为什么当B细胞准备产生抗体时，它们会从淋巴结、脾脏和其他器官迁移，进入并定居于骨髓。另一个问题是骨髓环境在引导这些细胞以及应对再感染中发挥什么作用。”

类器官与芯片结合

Singh领导的佐治亚理工学院团队通过从人类扁桃体组织和血液来源中分离B细胞，并在模拟淋巴组织的微环境中培养，开发出人类淋巴类器官。在这一研究阶段，他们克服了在类器官中培养B细胞并刺激其转化为抗体分泌浆细胞的挑战，使用灭活流感病毒来推动这一过程。该方法产生了足够数量的抗体分泌浆细胞，用于骨髓芯片系统的实验。

范德堡大学（Vanderbilt University）Krishnendu Roy博士的实验室利用基于微流体的复杂血管化微环境设计了骨髓芯片，该环境密切模拟人类骨髓中的条件。Roy表示：“我们永远无法复制人体的全部复杂性。然而，我们试图模拟结构、基本生物学功能和空间微环境，以在这个更简化的模型中提出关于人类器官样行为的问题。”

人类骨髓芯片模型组装在一个3×5英寸、由96孔塑料板组成的堆叠中，每层厚度不到半英寸。芯片内部纵横交错着多条通道，并涂有类似骨髓的凝胶状材料，其中充满支持浆细胞功能和维持的营养物质与生长因子。芯片结构的各层对应骨髓腔外缘区域，即骨内膜亚微环境，浆细胞在此储存直至被调用。该模型还复制了骨髓中心更深处的区域，即血管周围亚微环境，该区域围绕血管网络，浆细胞在此增殖并被激活。

骨髓芯片系统便于对浆细胞进行成像，以解读它们对信号蛋白的反应活动。它还使系统性研究骨髓内不同生物学微环境对浆细胞分化和持久性的影响成为可能。Singh表示：“在活体人类骨髓中获得浆细胞的高分辨率成像几乎是不可能的。你可以在小鼠骨髓中进行一定程度的成像，迄今为止人们一直集中于此。”

该模型可以接种来自特定患者群体的细胞，以研究衰老对浆细胞功能的影响，或研究自身免疫病或过敏患者，以了解促进自身免疫或过敏的浆细胞是如何产生和维持的。研究人员指出，他们仍希望回答许多问题，例如为什么B细胞表现出“走走停停”的运动模式，以及这种运动模式是否是更广泛骨髓结构内持续迁移的一部分。

来源：NIH News Releases（英文原文，生物航编译，内容以原文为准）