科研人员利用“芯片消化系统”技术研究（肿瘤的放射治疗、宇航员遭受的太空射线、意外遭受核事故等）对人体消化道细胞的影响，并在此基础上探索可用于预防辐射损伤的保护性治疗。

芯片消化系统微流体培养装置内包含人小肠绒毛上皮和血管内皮，两者相互连接。图片来自论文

Cell Death and Disease杂志发表了名为“使用’芯片消化系统’技术模拟放射损伤相关细胞死亡及保护性药物疗效探索”，我们就研究的结果和现实意义对该论文的作者进行了采访。哈佛大学威斯研究所的Sasan Jalili-Firoozinezhad作为第一作者接受了我们的采访。

你能简要地介绍一下你们的研究结果吗？

暴露在电离辐射下，无论是因为医疗治疗需要还是意外，都可能发生以胃肠道表现为主要症状的急性放射综合征。我们利用“芯片器官”技术建立了人体消化道模型，该模型包括人小肠绒毛上皮和血管内皮，两者相互连接。我们对该模型进行辐射照射以造成辐射相关消化道损伤。照射剂量为8Gy，文献提示该剂量的辐射可对人体消化道造成影响。我们发现上皮细胞和内皮细胞中多种细胞损伤的标志物水平都明显升高。细胞损伤的表现包括凋亡（细胞死亡）增加、活性氧（ROS，也叫作氧自由基）水平增加、双链DNA断裂、膜脂降解、微绒毛结构消失。细胞间连接也发生破坏，肠上皮完整性破坏，保护肠壁不受细菌及毒素侵袭的功能也因此受损。

使用“芯片消化系统”辐射模型，我们证明在遭受辐射前使用二甲基草酰甘氨酸（DMOG）能够显著减少细胞凋亡，降低肠上皮通透性，减少肠上皮损伤。此外，上皮细胞和内皮细胞内活性氧产生和脂质降解也明显减少，之前的实验模型中并未观察到这一结果。

辐射可造成绒毛高度变矮，微绒毛变短，形态趋于不规则；DMOG可对抗辐射对消化道的损伤作用。

你能够简单介绍一下“芯片消化系统”吗？你们的研究中为何对这一模型进行了改进？

图片来自论文

“芯片消化系统”是一个微流体培养装置，核心是一片清晰的、柔软的、透明的硅树脂多聚体，大小和电脑芯片相似（见顶图）。装置还包括两个以单张有孔膜隔开的平行通道，肠上皮细胞排列在膜的一侧，血管内皮细胞排列在膜的另一侧。两个通道内都充满了培养液，芯片两侧的侧室定期抽吸以模拟肠道蠕动。培养约一周后，芯片就可可出现绒毛结构，并具备活体肠道的多种功能。

和以往的辐射模型不同，我们在芯片上加入了血管内皮细胞，因为最近的动物学实验研究发现血管内皮细胞在辐射相关消化道损伤中发挥重要作用。我们的研究也证实了这一猜想：辐射处理后内皮细胞的反应明显强于上皮细胞，主要表现为产生更多活性氧，脂质降解、DNA断裂、细胞凋亡更加明显。更有趣的是，当我们在没有内皮细胞的“芯片消化系统”模型中重复实验的时候，我们发现经过辐射处理的肠上皮细胞并未发生典型改变，这说明内皮细胞是辐射相关肠道功能异常的关键媒介。

你们的研究结果对于药物研发人员、医生、患者意味着什么？

未经DMOG处理和经过DMOG处理的模型中辐射诱导的细胞连接破坏、细胞内空泡形成、上皮细胞和内皮细胞与基底膜分离等。

右侧气泡：“芯片消化系统”可用于抗辐射药物的研发和筛选。这些药物可能可以拯救肿瘤患者、宇航员或者意外核事故受害者的生命。

图片来自论文

人们可能因为意外遭受电离辐射（如核事故、宇宙航行中的宇宙射线等）或因医学治疗需要受到辐射（放疗）。意外的接触可能造成致癌性基因突变从而导致死亡，放疗的剂量较低，但长期治疗仍可产生副作用。因为辐射研究中不能使用健康人，目前抗辐射药物的研究只能局限于动物实验，因而无法在人群中推广使用。在这种情况下，“芯片消化系统”辐射模型是研究辐射相关损伤机制潜在机制的有力工具。“芯片消化系统”可用于抗辐射药物的研发和筛选。这些药物可能可以拯救肿瘤患者、宇航员或者意外核事故受害者的生命。

基于你目前的研究结果，你能谈谈未来的研究方向吗？或者更详细地聊一聊“芯片人体”？

当动物和人遭到足以导致严重损伤剂量的全身辐射时，其死亡原因主要是辐射对肠道、肺、骨髓造成的多系统损伤。为此，我们将使用这些系统的“芯片器官”进行造模研究辐射损伤。此外，有证据表明，辐射对肠道造成的损伤能够影响辐射对同一个体骨髓的损伤，这种影像与肠道菌群有关。因此我们研发了新的方法，在培养装置上培养了复杂的微生物群以模拟肠道菌群，这样我们就能够研究肠道菌群在辐射相关损伤中的作用了。

右侧气泡：…我们将不同的“芯片器官”通过内皮细胞所在“血管通道”连接，从而制造了一个“芯片人体”…

我们将不同的“芯片器官”通过内皮细胞所在“血管通道”连接，从而制造了一个“芯片人体”。我们可以利用“芯片人体”研究辐射损伤情况下各器官之间的相互作用。为了建立个体化“芯片人体”，我们使用患者活检标本中分离出的细胞建立了“芯片肠道”，其他研究团队发现使用患者的诱导多能干细胞也能建立类似模型。现在我们正在利用这些新的模型，再加上生物信息学技术和计算机辅助方法，寻找新的抗辐射药物。