胆汁淤积性DILI为何难预测？PhysioMimix Liver-12肝脏MPS模型与传统2D培养体系对比研究

摘要

药物诱导的肝损伤（Drug-Induced Liver Injury，DILI）是导致候选药物研发失败以及上市后撤市的重要原因之一。其中，胆汁淤积性DILI由于涉及胆汁酸代谢、转运体调控、线粒体功能以及细胞应激等多种复杂机制，一直被认为是体外安全性评价中最具挑战性的研究方向之一。近年来，随着器官芯片和微生理系统（Microphysiological System，MPS）技术的发展，研究人员开始尝试利用更具生理相关性的体外模型提升DILI预测能力。本文基于Nitsche等人在《Archives of Toxicology》发表的研究成果，对不同肝脏MPS模型与传统二维培养体系在胆汁淤积相关机制研究中的表现进行整理，并重点分析PhysioMimix Liver-12肝脏MPS模型在长期培养、胆汁酸稳态维持以及机制性毒性评价方面的特点。

关键词：DILI、胆汁淤积、肝脏MPS、器官芯片、PhysioMimix、原代人肝细胞、药物安全性评价、NAMs

一、为什么胆汁淤积性DILI长期难以准确预测？

在药物研发过程中，肝脏是药物代谢和解毒的重要器官，因此也是药物毒性最容易发生的部位之一。相比直接细胞毒性，胆汁淤积性DILI往往涉及胆汁酸合成、转运、排泄以及细胞应激等多个环节，其发生机制更加复杂。传统二维培养模型虽然应用广泛，但由于缺乏体内动态微环境以及长期功能维持能力，难以充分反映人体真实肝脏状态，因此在胆汁淤积相关机制研究中存在明显局限。

近年来，随着新型体外模型的发展，研究人员越来越关注器官芯片和微生理系统技术，希望通过模拟更接近人体组织结构与生理环境的培养体系，提高药物安全性评价的准确性和临床相关性。

CN Bio PhysioMimix Liver-12（LC12）肝MPS模型

图1：PhysioMimix Liver-12肝脏微生理系统模型

二、研究如何比较不同肝脏模型？

为系统评估不同模型在胆汁淤积研究中的适用性，研究团队比较了PhysioMimix Liver-12（LC12）系统、Mimetas OrganoPlate 2通道系统、Mimetas OrganoPlate 3通道系统以及传统二维静态培养体系。

实验同时采用原代人肝细胞（PHH）、HepaRG细胞以及诱导多能干细胞来源肝细胞（iHeps）作为研究对象，通过胆汁酸代谢分析、转运体表达、核受体调控、线粒体损伤、细胞应激反应以及功能标志物检测等多个终点，对不同模型进行全面评估。

PhysioMimix微流控器官芯片系统

图2：PhysioMimix微流控器官芯片系统

三、PhysioMimix Liver-12系统有哪些特点？

PhysioMimix Liver-12采用标准微孔板规格设计，在单块培养板中集成12个独立微流控培养单元。每个培养单元均包含细胞培养区域和循环培养基储液池，通过气动驱动实现持续灌流，从而模拟肝脏组织在体内所处的动态环境。

与传统静态培养不同，该系统能够持续提供营养物质和氧气，同时及时清除代谢废物，使细胞长期维持较高功能状态。此外，动态流体环境还能降低局部代谢物积累以及培养条件波动带来的影响，从而提高实验结果的稳定性与重复性。

MPS-LC12微孔板结构

图3：MPS-LC12培养板结构示意图

四、研究发现了哪些关键结果？

研究显示，在长达30天的培养周期内，PhysioMimix Liver-12系统中的原代人肝细胞和HepaRG细胞均表现出较高水平的白蛋白分泌、尿素生成以及CYP450酶活性，说明其能够更好地维持长期肝功能。

更重要的是，在胆汁淤积诱导实验中，仅有PhysioMimix系统中的原代人肝细胞能够稳定检测到胆汁酸分泌变化，而这一指标正是胆汁淤积发生过程中最关键的机制特征之一。相比之下，其他模型在相同条件下并未表现出同样敏感的响应能力。

研究还发现，PhysioMimix培养体系产生的胆汁酸组成更加接近人体真实情况，主要以甘氨酸结合型胆汁酸为主，而部分传统培养模型则表现出明显偏离人体生理状态的胆汁酸谱。这种差异直接影响毒性机制分析以及药物风险预测结果。

此外，在较低暴露浓度下，PhysioMimix系统已经能够观察到胆汁酸积累、代谢抑制以及相关转录组变化，说明其能够更早发现潜在毒性信号，为机制研究和风险评估提供更多时间窗口。

五、为什么生理相关性成为未来模型发展的关键？

本研究的重要启示在于，并非所有体外模型都适用于同一种研究场景。模型的预测能力不仅取决于所使用的细胞类型，更与培养体系架构、微环境模拟能力以及长期功能维持水平密切相关。

对于胆汁淤积这类涉及复杂代谢网络和长期生物学变化的研究领域，仅依靠传统二维培养体系已经难以满足现代药物研发需求。具备动态灌流能力、长期培养能力以及较高组织仿真度的微生理系统，正在逐渐成为新一代体外评价平台的重要组成部分。

随着NAMs（New Approach Methodologies）理念的发展，越来越多监管机构和制药企业开始关注器官芯片、微生理系统以及其他人源化模型，希望通过提高人体相关性来降低后期研发失败风险，并减少动物实验依赖。

六、总结

胆汁淤积性DILI一直是药物安全性评价领域的重要挑战之一。相比传统二维培养体系，新一代肝脏微生理系统能够提供更接近人体肝脏的组织微环境，从而提高胆汁酸代谢、转运体调控以及毒性机制研究的生理相关性。

本研究结果表明，在多个评价指标上，随着器官芯片技术不断成熟，这类高生理相关性模型有望在药物研发、安全性评价以及机制研究领域发挥越来越重要的作用。

关于技术来源：本文器官芯片、MPS微生理系统、肝脏MPS等相关应用、公开技术资料整理，用于科研与技术交流、实验参考。