肺是人类的主要呼吸器官，特别容易受到与职业相关危害因子的影响。我国工业和城市化的快速发展以及新兴产业的涌现，加剧了工人发生肺相关职业危害的风险，为肺相关的职业毒理研究带来了巨大挑战。肺类器官技术，作为一种新兴的三维细胞培养技术，能够在实验室环境下对人肺部结构和功能进行模拟，可以直接观察和评估各种职业环境中危险因子对肺的影响。此外，类器官模型培养还具有短周期、高通量等特点，在模拟肺部疾病的发生发展过程和职业性肺疾病的潜在治疗药物的筛选及评估中发挥巨大作用。因此，肺相关类器官技术的发展，不仅提高了肺部相关职业暴露健康效应的评估水平，还能够助力研究者们更好地理解职业肺疾病的病理机制和有效防治策略的开发，是研究职业性肺病的有力工具。
北京市结核病胸部肿瘤研究所李奕霞等撰文《肺类器官模型的发展及其在职业暴露健康效应评估中的应用》。文章综述了近年来肺类器官模型的发展及其生物医学应用，重点评估其在肺部相关职业暴露健康效应评估中的应用潜力。文章刊登于《环境与职业医学》2024年10月刊。本文通信作者为首都医科大学公共卫生学院陈汉清和首都医科大学附属北京胸科医院韩毅。
来源：https://www.jeom.org/
阅读目录
肺类器官模型及其发展情况
肺类器官模型在职业暴露危害评估中的应用
2.1 肺类器官模型在有毒物质暴露研究中的应用
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2.1.1 肺类器官体外长期培养模拟毒性风险的长期暴露
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2.1.2 基于肺类器官的多技术结合使用模拟可吸入颗粒物的体内呼吸毒性
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2.1.3 肺类器官与免疫细胞共培养模式助力有毒物质分子机制研究
2.2 肺类器官模型在职业病危害评价中的应用
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2.2.1 作为吸入毒理学研究的新型暴露模型
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2.2.2 职业暴露风险的个体化评估
现有研究进展和挑战
结论和展望
正 文
随着现代工业化的发展及新兴产业的兴起，人们面临着日益复杂和多样化的肺部相关职业暴露[1]。这些职业暴露不仅包括环境污染物[2]、粉尘颗粒[3]等，还涉及烟草烟雾[4]以及镉[5]、铅[6]、铬[7]、砷[8]等重金属或类金属颗粒物等多种危险因子。它们通过吸入方式进入机体，在气管、终末细支气管及肺泡内沉积，导致慢性呼吸系统损伤。长期暴露于这些有害物质，可能导致肺部疾病，如慢性阻塞性肺疾病、职业性哮喘和肺部纤维化等[9]，即使脱离环境因素，疾病仍可能持续进展，严重影响患者的健康和生活质量，对整个社会造成巨大的经济负担。全球疾病负担研究项目调查[1]显示，2019年全球因慢性呼吸系统疾病死亡的人数达400万，患病数约为4.5亿例，其中，职业环境因素正是重要的发病风险因素。面对如此庞大的人群基数，仅依靠传统职业病防治措施已经难以满足需求，有效评估职业暴露的危害，对于预防和控制职业性呼吸道疾病具有重要意义。
1. 肺类器官模型及其发展情况
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肺类器官是一种能够在体外模拟人体肺部结构和功能的体外三维（three-dimensional, 3D）培养的原代细胞模型，是保留原器官组织结构和生物信息的“微组织”。
最早关于体外3D肺培养的研究起始于1993年，Benali等[13]在胶原蛋白中培养出成人气道上皮的第一个自组织3D结构。2009年，Sato等[14]利用小鼠肠道干细胞培养出了具有隐窝和绒毛单位的肠道类器官。此后，这项技术逐渐被应用于包括肺在内的其他上皮器官的培养上。同年，Rock等[15]研究发现，小鼠和人气道中的基底细胞可以作为气道上皮细胞的干细胞，并成功在体外培养发育为“气管球”。2013年，Barkauskas等[16]进一步研究证明了AT2细胞为肺泡上皮细胞的干细胞，可以发育为“肺泡球”。这为肺泡类器官的成功构建奠定了基础。2015年，Dye等[17]利用人类多能干细胞（human pluripotent stem cells, hPSC）生成了具有近端气道结构与远端上皮细胞的肺类器官模型，其结构特征与人胎肺类似。同年，Tan等[18]成功使用成人的原代支气管近端上皮细胞、肺成纤维细胞和肺微血管内皮细胞成功构建气道类器官。这种由成人原代细胞构建、混合多种细胞存在的气道类器官，为模拟真实的人肺气-血屏障以及细胞间相互作用提供了一种创新且强有力的工具。
3D生物打印技术的出现，进一步提升了肺类器官对肺部结构的模拟。3D生物打印是以可生物降解的高分子材料为原材料，通过计算机辅助设计、制造和3D打印技术，将三维结构在三维空间中通过多步成型过程实现，可实现组织器官的三维构建及生物功能的精确设计[19–20]。通过3D打印构建肺部血管和支气管的结构，构建具有血管结构的3D肺模型，可以用于创新疾病治疗方法的研发。例如，2019年，Grigoryan等[21]利用立体光刻技术，打印出了一个包含通气囊的血管化肺泡肺模型，并证实了这一模型能够在体外模拟天然肺组织内红细胞的氧气交换过程，为研究真正的体内肺界面生理病理机制提供了可能。
3D生物打印技术的发展也进一步促进了器官芯片的开发[11]，从而构建出创新的毒性作用测试系统。“器官芯片”是近年来诞生的一项变革性生物医学技术，通常以微流控芯片为核心，可在体外模拟包含活体细胞、生物流体、机械力刺激等要素的组织器官微环境。目前，基于微流控的器官芯片方法已成功用于多种健康和病变组织的建模，能够对类器官培养微环境进行动态和精确的流体控制，进一步提高了体外培养肺类器官的稳定性和活力[22]，同时，可以实现不同类型细胞和职业性肺病中有害暴露因素的精确放置，对研究有毒微粒对呼吸道和肺部细胞的毒性影响提供了一个高度模拟的体外平台，在评估此类颗粒造成的潜在健康危害方面发挥重要作用（图1）。
▲图 1 肺类器官的制备流程及应用举例
2. 肺类器官模型在职业暴露危害评估中的应用
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2.1 肺类器官模型在有毒物质暴露研究中的应用
2.1.1 肺类器官体外长期培养模拟毒性风险的长期暴露
由于可吸入环境颗粒对人体细胞和组织的影响在肺损伤早期或接触剂量较低时，往往症状不明显，随着时间延长与剂量积累，其肺毒性危害才逐渐暴露。因此，毒性因子的长期暴露风险评估对于呼吸毒理学研究至关重要。2015年，Dye等[17]通过在培养基内添加细胞因子，得到的肺类器官可在体外长期培养100多天，表明肺类器官模型在观察与评估长期职业暴露对人体肺部累积效应方面的巨大潜能。2022年，Lee等[23]的研究中，利用3D肺泡类器官模型比较短期及长期暴露于丙烯醛和重铬酸钠的肺毒性，研究结果证实，相较于短期暴露，长期暴露会显著减小类器官的大小。
2.1.2 基于肺类器官的多技术结合使用模拟可吸入颗粒物的体内呼吸毒性
Huh等[24]在肺类器官芯片和微流控系统的毒理学研究上做出了开创性贡献，开发出一种能够充分再现人类肺泡-毛细血管界面的关键结构、功能和机械特性的肺类器官芯片，实现了器官级肺功能在器官芯片上的重建。其后，团队使用这种芯片研究了二氧化硫、氮氧化物及颗粒物等多种空气污染物的毒性。将这些污染物引入空气侧通道，同时在血液侧通道引入营养液，模拟真实的肺部暴露环境。结果显示，这些污染物引发了上皮细胞的炎症反应、氧化应激以及细胞损伤。这些数据提供了一个机制基础，促进理解空气中颗粒污染物的健康危害，并制定或改进相应的缓解措施。为了研究可吸入颗粒物在人类呼吸支气管中的传输和沉积机制，2023年，Qiu等[25]基于肺类器官芯片技术并结合显微成像技术，实现了颗粒及气溶胶在仿真器官及肺泡中动态运输过程及最终沉积部位的可视化观测，并初步验证了该模型颗粒沉积情况的数值模拟结果与现有研究结果相吻合，为研究职业暴露中可吸入颗粒物的人体影响提供了一个可用于动态研究的新颖研究平台。
2.1.3 肺类器官与免疫细胞共培养模式助力有毒物质分子机制研究
细胞间的相互作用和免疫微环境的变化在毒性反应和疾病进展中至关重要。单独的肺类器官模型相对简单，无法很好地评估多种细胞类型如免疫细胞和上皮细胞的相互作用，因此，可能无法完全概括暴露于有毒化学物质后人体肺部环境的复杂性。随着干细胞技术和组织工程学的进步，基于肺类器官的免疫共培养模型开始出现，为毒性评估和疾病模型构建提供了一种重要手段。2023年，Lee等[26]对比了一种典型的吸入性化学毒物铬酸钠在单独的肺泡类器官模型与肺泡类器官及人巨噬细胞共培养模型中的作用，研究结果表明，尽管两种模型中都表现出了与既往研究报道一致的铬酸钠毒性，但只有共培养模型中检测到了NO含量的升高，且其毒物检测敏感度也最高。这表明，共培养系统具有更好的生理相关性，其结果为有毒物质的分子机制研究提供了更加全面的数据信息。
2.2 肺类器官模型在职业病危害评价中的应用
2.2.1 作为吸入毒理学研究的新型暴露模型
随着工业化和技术的发展，新的职业危害因素不断出现，如微塑料[27]、可吸入工程纳米颗粒物[28–29]等新兴吸入污染物。这些新兴吸入污染物在许多职业环境中普遍存在，例如，占微塑料最大来源的微塑料纤维广泛存在于合成纺织工厂与室内装修行业等职业环境中[30]。这些新兴吸入污染物对于人类健康影响的现有数据或信息往往很少且不充分，人们对其短期和长期接触的暴露风险也知之甚少。
2022年，Winkler等[27]使用人类气道上皮类器官研究了不同浓度及类型微塑料纤维暴露的影响，最终阐明其潜在危害具有剂量和类型依赖性，同时通过对比暴露前后的基因表达谱变化，成功定位到了与微塑料纤维暴露相关的靶基因，即SCGB1A1基因表达的上调。该研究验证了人类气道类器官作为研究新兴环境污染物暴露模型的可行性，通过气道类器官，可以更深入地研究环境污染物的毒性机制，揭示其对呼吸系统的具体影响，为制定防护措施提供了科学依据（图2）。
▲图 2 利用肺类器官进行毒理学实验过程示意图
与体外细胞实验和动物模型等传统暴露模型相比，利用肺类器官模型能够对这些暴露因素进行更加快速高效全面的风险评估[10]，为快速响应和应对新兴职业健康风险提供了一种新的可能性。
2.2.2 职业暴露风险的个体化评估
运用体外模型进行个体化评估的关键在于模型对于不同个体来源的组织细胞异质性的高度重现。肺类器官对于人体原代细胞特征复制的高保真特点已在多项研究中得到证实[31–33]。如：2017年，Chen等[34]利用人类诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPSCs）来源的肺类器官模型进行呼吸道合胞病毒感染与肺纤维化模型构建的实验中，肺类器官呈现的反应均与人类肺组织中所观察到的现象相一致。基于这一高保真性特性，利用不同个体来源的类器官，可以研究不同个体对于同一污染物的不同反应，并根据不同职业来源个体的复杂暴露场景进行模拟，如长时间低剂量暴露、多种污染物的联合暴露等，从而提供更全面的毒理学评估数据，帮助定义个体对职业暴露中各种毒素的易感性，进行更精细化和个性化的风险评估。这对于制定个性化的防护和治疗方案具有重要意义。
3. 现有研究进展和挑战
4. 结论和展望
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作者简介
陈汉清
本文通信作者。首都医科大学公共卫生学院营养与食品卫生学系，教授、博士生导师。主要研究方向为消化系统衰老的危险因素及疾病干预策略研究。
韩 毅
本文共同通信作者。首都医科大学附属北京胸科医院/北京市结核病胸部肿瘤研究所微创中心主任、硕士生导师。主要研究方向为：肺癌的个体化诊疗、肺类器官及肺癌类器官在肺部疾病诊疗中的应用。
李奕霞
本文第一作者。北京市结核病胸部肿瘤研究所外科学硕士研究生，主要研究方向为肺类器官及肺癌类器官应用。
本文内容来自《环境与职业医学》2024年10月刊，原文题目《肺类器官模型的发展及其在职业暴露健康效应评估中的应用》
引用格式：李奕霞，陈汉清，韩毅.肺类器官模型的发展及其在职业暴露健康效应评估中的应用[J].环境与职业医学，2024，41（10）：1103-1108.
原文链接：
https://www.jeom.org/article/doi/10.11836/JEOM24204
编辑 | 赵芸稼
审阅 | 顾心怡
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环境因素（自然环境、社会环境）、职业因素与人群健康关系研究成果
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