1. 研究背景與目的

臨床問題：腰痛是致殘原因，其中IDD是最主要病因。機械負荷異常是驅動髓核（NP）基質降解和細胞凋亡的關鍵因素，但現有模型（動物模型、2D培養、宏觀生物反應器）在可控性、通量、人類相關性及倫理方面存在明顯局限。

研究目標：開發基于原代人類NP細胞的機械活性微尺度3D芯片模型，精確模擬天然NP微環境（缺氧、受限壓縮），以研究機械誘導的退變過程，并驗證其作為藥物篩選平臺的可行性

BiomimX器官芯片中國區授權銷售——北京基爾比生物公司

2. 技術平臺核心特點

微流控芯片設計：PDMS材質的三層結構（培養室-驅動膜-驅動腔室），含T形懸柱，實現受限壓縮（模擬纖維環對NP的側向約束）。

應變控制：通過柱高與腔室高度的幾何差精確控制壓縮幅度（10%生理壓縮 PC vs. 30%超生理壓縮 HPC），不受細胞外基質（ECM）力學特性變化影響。

微尺度優勢：僅需少量細胞和試劑（12個重復僅需1×10?細胞），氧氣通過透氣PDMS均勻擴散，避免了傳統顆粒（pellet）模型常見的缺氧壞死核心問題。

3. 主要研究發現

（1）缺氧培養誘導NP樣表型成熟

在2% O?缺氧條件下靜態培養14天，NP細胞中COL2A1、ACAN表達較Day 0提升約3個數量級，達到天然NP組織水平。

NP特異性標志物OVOS2和CDH2（N-cadherin）表達上調，其中CDH2在缺氧下更接近天然組織水平。

缺氧組GAG含量及GAG/DNA比值（7.2±2.6）顯著高于常氧組（1.5±0.6），證明微尺度平臺可精準控制氧張力，實現更接近天然的基質沉積。

（2）機械負荷的強度與時長依賴性效應

生理壓縮（PC, 10%）：每天12小時（1h開/1h關）持續7天，促進GAG合成，表現為合成代謝效應。

超生理壓縮（HPC, 30%）間歇刺激：在有地塞米松（Dex，抗炎/促分化）存在時，主要引起FRZB（Wnt通路拮抗劑）下調，但未顯著激活炎癥/分解標志物。

【近年來，北京基爾比微重力模擬系統已先后獲得上海交通大學（連續兩次復購Kilby Gravity微重力模擬裝置）、中山大學、浙江大學、大連理工大學、哈爾濱工業大學等多所高校和中國科學院/中國醫科院系統單位的采購及應用】

去除地塞米松后，機械負荷的真實退變效應顯現：

• HPC顯著上調MMP13，下調FRZB和HMOX（細胞保護/抗氧化應激基因）。

• 持續超生理壓縮（SHPC, 每天16小時連續刺激）：進一步顯著上調PTGS2（COX-2）、MMP13，增加ECM降解產物DIPEN沉積，并顯著抑制GAG積累。同時，凋亡標志物cleaved caspase-3陽性細胞增加約5.6倍。

  

  
  

（3）TRPV4抑制驗證藥物篩選潛力

在SHPC誘導IDD樣表型后，使用機械敏感離子通道TRPV4拮抗劑GSK205處理：

• 100 μM GSK205可顯著逆轉退變，使MMP13和PTGS2表達恢復至靜態對照水平，并劑量依賴性恢復FRZB表達。

• 10 μM劑量效果不顯著。

  
  

意義：證明該平臺可用于篩選靶向機械轉導通路的抗IDD藥物，且提示單純抗炎治療（如地塞米松）無法糾正Wnt信號相關的力學感知異常。

4. 結論與意義

模型價值：NPoC成功在微尺度上重現了人類NP組織對生理和病理機械負荷的差異性響應——生理負荷維持/促進合成代謝，而持續超生理負荷通過炎癥、分解代謝和凋亡誘導IDD樣表型。

應用前景：相比傳統宏觀生物反應器，該模型具有高通量、低成本、高可控性的優勢，適用于IDD力學生物學機制研究和靶向機械轉導通路（如TRPV4）的疾病修飾藥物篩選。

未來方向：整合纖維環（AF）、軟骨終板、感覺神經元、血管及免疫細胞等組分，進一步逼近IVD的生物學復雜性。

北京基爾比公司受邀將于2026年5月15-16日參展ISFO 2026第二屆國際類器官大會，敬請關注！

附：

北 京 基 爾 比 生物 科技公司 主營產品：

Kirkstall 3D細胞類器官串聯式自動灌流系統，

BiomimX uBeat®多功能動態器官芯片系統

Kilby Gravity 微重力旋轉細胞類器官培養系統RCCS，

動植物/微生物等地面重力環境模擬裝置【可以定制】，

Kilby Bio 高通量類器官精密搖擺儀