生命科學儀器: 微生物細胞培養儀器芯片

IPF?on?Chip 模型，BiomimX為纖維化疾病研究與藥物研發注入核心動力

時間：2026/4/26閱讀：101

摘要

特發性肺纖維化（IPF）作為一種進展性、致命性間質性肺病，臨床治療手段匱乏且現有體外模型難以精準復刻肺部纖維化病理微環境，嚴重制約抗纖維化藥物研發與疾病機制解析。

本文系統梳理機械活性肺芯片（IPF?on?Chip）的研發全流程，重點突出意大利BiomimX在器官芯片技術、仿生微環境構建、機械刺激調控及藥理驗證中的核心貢獻，闡明該模型如何通過整合三維肺泡結構、基底膜、基質腔室與動態機械驅動，精準模擬 IPF 病理進程，并為端錨聚合酶抑制劑（TNKSi）等新型抗纖維化藥物提供高效臨床前評價平臺。

研究證實，動態機械拉伸可有效誘導成纖維細胞向肌成纖維細胞轉化（FMT），FIBRIN20 水凝膠更適配纖維化表型構建，IPF 相關細胞因子雞尾酒（IPF?RC）模型比單一 TGF?β1 誘導更全面還原纖維化發生，BiomimX技術為 IPF 機制研究與藥物篩選開辟全新路徑。

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一、研究背景：IPF 臨床困境與體外模型技術短板

1.1 IPF 疾病危害與治療局限

特發性肺纖維化（IPF）是全球高發的致命性呼吸系統疾病，發病率持續攀升，患者確診后中位生存期僅 3 年，病理特征為肺泡結構不可逆破壞、細胞外基質（ECM）過度沉積與肺功能漸進性喪失。當前臨床僅尼達尼布（Nintedanib）、吡非尼酮（Pirfenidone）兩款藥物獲批，僅能延緩疾病進展，無法逆轉纖維化病變；針對 TGF?β 信號通路的靶向藥物均未實現臨床轉化，核心瓶頸在于IPF 發病機制復雜、缺乏能模擬體內病理微環境的體外研究模型。

1.2 傳統體外模型的技術缺陷

傳統 IPF 體外模型以二維細胞培養、動物模型為主，存在顯著局限：二維培養丟失細胞三維空間結構與機械微環境，無法模擬呼吸運動帶來的力學刺激；動物模型存在物種差異，病理進程與人類 IPF 偏差大，藥物評價結果臨床轉化率極低。器官芯片（Organ?on?Chip）技術作為微流控與組織工程交叉前沿，可復刻人體器官生理結構與功能，而BiomimX作為米蘭理工大學孵化的仿生器官芯片企業，專注于機械驅動型器官芯片研發，突破傳統芯片缺乏動態力學模擬的短板，為 IPF 仿生建模提供核心技術支撐。

1.3 BiomimX 技術優勢與研究定位

BiomimX Srl總部位于意大利米蘭，是歐洲微生理系統（MPS）領域核心創新主體，核心技術為可調控機械刺激的三維器官芯片平臺，已開發心臟芯片、關節芯片等多款產品，擅長整合細胞共培養、仿生水凝膠與動態力學驅動，構建高仿真人體器官病理模型。本研究中，BiomimX聯合米蘭理工大學、奧斯陸大學醫院，聚焦 IPF 病理核心 ——機械微環境失衡與基質細胞異常活化，開發機械活性肺芯片模型，填補 IPF 體外動態病理模型空白，為抗纖維化藥物篩選提供標準化平臺。

二、研究目的：構建機械驅動型 IPF 肺芯片，賦能藥物精準評價

本研究核心目標聚焦三大維度，BiomimX全程主導芯片設計與機械系統開發：

基于肺芯片平臺構建先進三維人類肺泡模型，整合體內仿生機械刺激，精準復刻 IPF 復雜肺部纖維化微環境；

明確動態機械刺激對肺泡上皮細胞、基質成纖維細胞的調控作用，解析力學信號在 FMT、上皮?間質轉化（EMT）中的分子機制；

驗證該模型對端錨聚合酶抑制劑（TNKSi1/2）等新型藥物的評價能力，依托BiomimX芯片平臺實現抗纖維化藥物療效精準預測，為臨床轉化提供支撐。

機制層面，端錨聚合酶抑制可靶向調控 WNT/β?catenin 與 YAP 信號通路，二者均為 IPF 進展的核心通路，本模型旨在通過仿生微環境驗證該靶點的臨床轉化潛力。

三、IPF?on?Chip 平臺構建：BiomimX 核心技術支撐

3.1 芯片整體設計：復刻人類肺泡功能單元

BiomimX主導的 IPF 肺芯片采用多腔室仿生結構，完整還原肺泡上皮?基質?基底膜的生理架構，核心設計包括：

上皮腔室：種植人類肺泡上皮細胞，模擬氣體交換與屏障功能；

基質腔室：包埋人肺成纖維細胞（NHLFs），填充仿生水凝膠，復刻 IPF 病變肺泡間質；

基底膜：分隔上皮與基質腔室，模擬體內細胞間信號傳導與物質交換界面；

機械驅動單元：BiomimX核心技術 —— 氣壓驅動機械刺激系統，通過調控驅動腔室壓力，實現周期性拉伸 / 壓縮，精準模擬生理與病理呼吸運動。

該設計突破傳統芯片單一結構局限，在 IPF 模型中整合三維細胞培養、仿生基質、動態機械刺激三大核心要素，實現體外病理微環境高度還原。

3.2 基質腔室優化：水凝膠篩選與靜態條件構建

基質腔室是模擬 IPF 間質纖維化的核心，BiomimX團隊完成關鍵材料篩選：

水凝膠體系優化：對比 FIBRIN10 與 FIBRIN20 兩種纖維蛋白水凝膠，靜態培養第 2、7 天免疫熒光檢測顯示，FIBRIN20 組 Ⅰ 型膠原、α?SMA 表達顯著高于 FIBRIN10 組，證實FIBRIN20 更能促進成纖維細胞向纖維化表型活化，成為模型標準基質材料；

病理微環境誘導：采用 TGF?β1 與 IPF?RC 細胞因子雞尾酒誘導纖維化，結果顯示 IPF?RC 可更強力激活肌成纖維細胞，促進 Ⅰ 型膠原、纖連蛋白等 ECM 沉積，IPF?RC 模型比單一 TGF?β1 更全面還原 IPF 纖維化進程。

3.3 機械刺激系統：BiomimX 核心技術突破

機械驅動是本模型區別于傳統 IPF 體外模型的核心創新，由BiomimX技術實現：

刺激方式：通過驅動腔室正加壓，實現單軸周期性拉伸與周期性壓縮兩種力學模式；

參數精準調控：設置 0.2Hz（生理呼吸）、0.6Hz（病理呼吸）、1Hz 三種頻率，拉伸應變 10%，壓縮應變 30%，模擬不同呼吸狀態下的肺部力學環境；

跨腔室協同刺激：同步實現上皮腔室、基質腔室力學加載，還原體內肺泡整體力學微環境。

該系統解決了傳統模型缺乏動態力學的痛點，實現 IPF 病理力學信號的體外精準復刻。

四、核心結果：機械刺激與藥物驗證的關鍵突破

4.1 機械刺激對基質腔室的調控作用

BiomimX機械驅動系統的核心價值得到充分驗證：

力學模式對比：1Hz、10% 單軸周期性拉伸下，α?SMA、Ⅰ 型膠原表達顯著高于靜態組與 30% 壓縮組，證實周期性拉伸是誘導 FMT 的核心力學信號，與體內 IPF 病理力學環境一致；

頻率依賴性：0.2Hz（生理）、0.6Hz（病理）拉伸均可增強纖維化表型，α?SMA 陽性細胞增多、ECM 沉積水平與 TGF?β1 化學誘導相當，病理頻率拉伸可高效替代化學因子誘導，減少非特異性干擾；

機制關聯：動態拉伸通過激活潛在 TGF?β1，維持肌成纖維細胞表型，與體內 IPF 力學?化學信號偶聯機制吻合。

4.2 機械刺激對上皮腔室 EMT 的調控

上皮?間質轉化（EMT）是 IPF 早期核心事件，研究發現：1Hz 周期性拉伸條件下，上皮細胞 E?鈣黏蛋白表達升高、α?SMA 表達降低，動態力學刺激可抑制 EMT 進程；靜態組 E?鈣黏蛋白與 α?SMA 共定位更顯著，Pearson 相關系數更高，提示靜態環境易誘發早期 EMT，動態機械刺激可維持上皮細胞表型穩定，精準模擬體內肺泡上皮力學依賴性功能。

4.3 藥理驗證：BiomimX 平臺賦能抗纖維化藥物篩選

依托IPF?on?Chip模型完成核心藥物驗證，彰顯BiomimX平臺的臨床前價值：

標準藥物驗證：尼達尼布處理后，靜態基質腔室 α?SMA、Ⅰ 型膠原沉積顯著降低，驗證模型藥理可靠性；

新型藥物評價：端錨聚合酶抑制劑 OM?153 可同時降低 α?SMA、Ⅰ 型膠原、纖連蛋白表達，抗纖維化效果優于尼達尼布，證實 TNKSi 靶點的臨床潛力；

模型優勢：IPF?RC 誘導的纖維化模型對藥物響應更敏感，比 TGF?β1 模型更適合抗纖維化藥物高通量篩選。

五、研究結論：BiomimX 技術重塑 IPF 體外研究體系

5.1 核心結論凝練

BiomimX 機械驅動肺芯片, 成功構建個整合動態機械刺激的 IPF 體外模型，完整復刻肺泡三維結構、病理微環境與呼吸力學信號；

FIBRIN20 水凝膠為 IPF 基質建模材料，IPF?RC 細胞因子雞尾酒可全面還原纖維化進程，周期性機械拉伸是誘導 FMT 的核心條件；

動態力學刺激抑制肺泡上皮 EMT，為 IPF 早期干預提供新靶點；模型可高效評價 TNKSi 等新型藥物，BiomimX平臺成為抗纖維化藥物研發的核心工具；

該模型突破傳統體外模型局限，實現 IPF 病理機制精準解析與藥物臨床前高效篩選，臨床轉化價值顯著。

5.2 BiomimX 核心貢獻總結

技術原創：機械驅動器官芯片技術將動態力學刺激引入 IPF 建模，解決行業核心痛點；

平臺搭建：主導 IPF?on?Chip 芯片設計、水凝膠優化與機械系統開發，構建標準化 IPF 體外模型；

應用突破：賦能新型抗纖維化藥物篩選，驗證 TNKSi 靶點潛力，加速臨床轉化；

領域：推動器官芯片從靜態結構模擬向動態功能仿生升級，為間質性肺病、器官纖維化研究提供通用技術方案。

六、研究意義與未來展望

6.1 學術與臨床價值

本研究依托BiomimX核心技術，構建的機械活性 IPF 肺芯片模型，填補動態病理模型空白，三大價值突出：

機制研究：明確力學信號在 IPF 纖維化進程中的核心作用，揭示 FMT、EMT 的力學調控機制；

藥物研發：提供高仿真、高通量臨床前篩選平臺，降低藥物研發成本，提升臨床轉化率；

精準醫學：可整合患者原代細胞，構建個體化 IPF 模型，指導臨床精準用藥。

6.2 未來發展方向

技術迭代：BiomimX將優化芯片多細胞共培養體系，整合免疫細胞、血管內皮細胞，構建更完整的 IPF 免疫?纖維化微環境；

高通量升級：開發陣列化機械驅動芯片，實現抗纖維化藥物高通量篩選；

臨床轉化：推進模型與臨床數據聯動，成為 IPF 新藥臨床試驗的核心體外支撐平臺；

領域拓展：將機械驅動芯片技術應用于肝纖維化、腎纖維化等器官纖維化研究，構建泛纖維化疾病體外模型體系。

結語

特發性肺纖維化的臨床攻克依賴病理機制解析與創新藥物研發，而仿生體外模型是連接基礎研究與臨床轉化的關鍵橋梁。

意大利BiomimX作為機械驅動器官芯片領域的企業，以核心技術支撐 IPF?on?Chip 模型研發，突破傳統模型局限，實現病理微環境高度還原、力學機制精準解析、藥物評價高效可靠三大目標。該研究不僅為 IPF 研究提供全新工具，更器官芯片技術向動態仿生、功能精準、臨床實用方向升級，為全球纖維化疾病研究與藥物研發注入核心動力，彰顯BiomimX在微生理系統領域的創新地位。

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