用于COVID-19研究的类器官与器官芯片模型及其在中医药现代化研究中的机遇与挑战

盛洪达; 梁颖欣; Volker M. Lauschke; 王毅

doi:10.1016/j.eng.2025.01.019

工程（英文） ›› 2025, Vol. 54 ›› Issue (11) : 184 -201. DOI: 10.1016/j.eng.2025.01.019

Research

用于COVID-19研究的类器官与器官芯片模型及其在中医药现代化研究中的机遇与挑战

盛洪达 ^a^,^b ,
梁颖欣 ^a ,
Volker M. Lauschke ^b^,^c^,^d^,^e ,
王毅 ^a^,^f

作者信息 +

Organoids and Organ-On-Chip Models for COVID-19 Research and Its Application in Modernization of Traditional Chinese Medicine: Opportunities and Challenges

Hongda Sheng ^a^,^b ,
Yingxin Liang ^a ,
Volker M. Lauschke ^b^,^c^,^d^,^e ,
Yi Wang ^a^,^f^,^* ,

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摘要

由严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）不仅对肺部造成损伤，还损害多个非肺部器官，引起多组织损伤，可能进一步导致感染者的长期后遗症。由于新冠病毒频繁出现新的突变和毒株，COVID-19很可能会持续成为公共卫生问题。多项临床证据表明，中医药在COVID-19的预防和治疗方面具有显著效果，但其具体作用机制仍不明确。本文综述了体外三维（3D）培养的类器官模型和器官芯片（OoC）技术在研究COVID-19的发病机制、病毒趋向性及跨组织感染机制中的应用，重点探讨这些平台在药物开发中的成功案例及其优势与局限性，并回顾类器官模型在中医药研究中的潜力。最后，本研究讨论了整合多组织微生理系统在COVID-19研究中的机遇，包括如何快速发现中药活性成分及其潜在靶点。这些新兴技术的应用有望加速药物发现进程，并推动中医药的现代化发展。

Abstract

Coronavirus disease 2019 (COVID-19), caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), not only affects the lungs but also damages various non-pulmonary organs, resulting in tissue injury and potential long-term sequelae in infected individuals. COVID-19 is likely to persist as a public health concern, given the frequent emergence of new mutations and viral strains. Multiple clinical lines of evidence indicate the efficacy of traditional Chinese medicine (TCM) in the prevention and treatment of COVID-19. However, the exact mechanism underlying these effects remains unclear. In this perspective review, we summarize the utility of in vitro three-dimensional (3D) cultured organoid models and organ-on-a-chip (OoC) technology for studying COVID-19 pathogenesis, viral tropism, and infectious mechanisms across different tissues. We highlight the successful application of these platforms in aiding drug development and discuss their advantages and limitations. We also review how such organotypic models can be employed to study TCMs. Finally, we discuss the opportunities for integrated microphysiological multi-tissue models to rapidly discover active components and potential targets in the context of COVID-19. The utilization of these emerging technologies could accelerate drug discovery and the modernization of TCM.

Graphical abstract

关键词

新型冠状病毒肺炎 / 类器官 / 器官芯片 / 微生理系统 / 中医药

Key words

COVID-19 / Organoids / Organ-on-a-chip / Microphysiological systems / TCM

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盛洪达,梁颖欣,Volker M. Lauschke,王毅. 用于COVID-19研究的类器官与器官芯片模型及其在中医药现代化研究中的机遇与挑战[J]. 工程（英文）, 2025, 54(11): 184-201 DOI:10.1016/j.eng.2025.01.019

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1 引言

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）由严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起，已成为21世纪规模最大的流行病。根据世界卫生组织（WHO）的数据，截至2023年7月，全球已确认超过7.68亿例SARS-CoV-2感染和超过690万例死亡。COVID-19大流行之前，曾发生过两次全球性冠状病毒[即SARS-CoV和中东呼吸综合征冠状病毒（MERS-CoV）]疫情[1‒2]。这两次疫情均会导致患者出现不同程度的流感样症状，如发热、咳嗽、肌肉疼痛，以及喉咙痛与积痰等呼吸道感染症状[3]，同时还对其他器官造成了损害。然而，SARS-CoV和MERS-CoV疫情的影响、传播速度、持续时间、突变率和长期效应均显著低于由SARS-CoV-2引起的大流行[4‒8]。此外，COVID-19中出现的症状持续性（“长新冠”）对人体长期疾病发生率有重大影响，而此现象在以往的冠状病毒疫情中未被观察到[9]。英国的人口数据显示，12%~17%的个体在初次感染COVID-19后12周内仍存在持续症状[10]。此外，荷兰的一项研究发现，大约八分之一的COVID-19患者出现了“长新冠”症状，总人数超过9600万[11]。这些后遗症还影响了社会生产力，超过15%的职位空缺与此相关[12]。在美国，“长新冠”的经济影响同样严重，预计其每年导致超过110万美国人失去工作[13]。为缓解这些长期后果，美国国立卫生研究院（NIH）启动了“RECOVER计划”，旨在研究COVID-19的长期影响，并提高对相关后遗症的预测、治疗和预防能力[13]。

SARS-CoV-2由核衣壳、膜、包膜和刺突（S）蛋白组成。S蛋白在感染细胞的高尔基体内被某些蛋白转化酶（如弗林蛋白酶）切割成S1和S2亚基。在病毒入侵过程中，功能性S1亚基通过受体结合域（RBD）附着于血管紧张素转换酶2（ACE2）受体上，S2亚基则介导病毒与宿主细胞膜的融合，随后将病毒释放至细胞质[14‒17]。这些特定的病毒入侵机制导致了组织损伤和SARS-CoV-2的快速传播[18‒19]。

除了常见的呼吸道症状外，COVID-19还可导致脑、肝脏、肠道和肾脏等多个器官受损。重症患者可能有出现急性脑病、昏迷和中风等神经损伤的风险[20]。临床数据显示，重症COVID-19患者可能会发生急性肝损伤（ALI）[21]，这一现象可能与感染过程中过量炎症细胞因子（“细胞因子风暴”）的产生有关[22‒23]。此外，患有肾脏疾病的患者罹患重症COVID-19的风险更高，而急性肾损伤更易发生于老年人或存在基础疾病的重症患者中[24]。

鉴于COVID-19的高传染性及多器官影响，亟须建立能够模拟病毒感染过程的病理相关疾病模型。此外，这些模型还需要具备足够的可扩展性，以加速化合物筛选及新疗法、药物和疫苗的开发[25‒26]。

在抗击COVID-19的过程中，中医药（TCM）发挥了重要作用。根据《新型冠状病毒肺炎诊疗方案（试行第七版》（2020年），对于轻症患者，建议使用清肺排毒汤（QFPD）和连花清瘟（LHQW）等中药方剂；对于中度患者，可使用宣肺败毒方（XFBD）；对于重症和危重症患者，则推荐使用化湿败毒方（HSBD）和血必净（XBJ）[27‒34]。研究表明，TCM在预防COVID-19、抑制轻症转重症以及降低死亡率方面表现出显著效果[35‒36]。

由于TCM成分复杂且具有多向药理学特性，其活性成分的鉴定及作用靶点的确认仍面临重大挑战。基于数据库[如TCM系统药理学数据库（TCMSP），中医百科全书（ETCM），DrugBank，注释、可视化与综合分析数据库（DAVID）及互作基因/蛋白质检索工具（STRING）]的网络药理学分析是识别中药成分、靶点和通路间关系的常用策略，分子对接可进一步提供活性成分及其靶点的结合证据[37‒40]。然而，这些方法仍存在诸多局限性，如数据库更新不及时、数据来源不可靠，以及在通路富集分析过程中可能存在靶点或信号通路覆盖不足的问题，均可能误导实验验证策略。

自20世纪初以来，二维（2D）单层细胞培养（细胞通常生长于聚苯乙烯板）一直是体外实验研究的主要模型体系，并广泛应用于TCM药理研究[41‒42]。但事实上2D培养也存在很明显的局限，包括无法反映体内细胞形态和表型、常用细胞系无法还原原代细胞特性[43‒44]、静态模型缺乏生理剪切力和细胞间通信能力[45]。综合来看，这些因素使传统的静态2D细胞培养模型难以准确模拟复杂的器官间相互作用，可能导致药理学研究和TCM活性筛选中出现假阳性结果[46]。

动物模型也被广泛用于人类疾病的模拟。然而，由于物种间差异的存在，其应用常受到限制。例如，小鼠血管紧张素转换酶2（mACE2）并不是SARS-CoV-2的受体，而表达人ACE2的转基因小鼠虽可感染SARS-CoV-2，却无法准确模拟COVID-19的呼吸道损伤或继发性器官损伤等临床特征[47‒49]。因此，动物模型的临床前到临床的转化能力通常表现不佳[50]。同时，仅依赖动物实验也难以解析TCM多通路、多靶点作用机制，导致TCM疗效难以有效阐释。例如，熊去氧胆酸（UDCA）在动物研究中显示可缓解代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）小鼠模型的肝脂肪变性、小叶炎症，并可逆转肝纤维化，但临床试验中未能改善MASH患者的肝脏组织病理损伤[51]。

近年来，类球体、类器官以及器官芯片等模型的持续发展助力疾病相关通路发现，并为靶向关键分子的新药开发奠定了基础（图1）。与2D培养模型相比，这些体外模型能更准确地再现细胞的分子表型，并模拟其微环境，从而允许在更具生理相关性的系统中测试化合物活性，包括扩散梯度、紧密连接屏障等复杂生理现象[25,42,52]。这些特性使类器官模型成为高通量药物筛选的理想工具，并为精准、高效、可转化的药物研发提供支持[52‒53]。

关于类器官模型的应用已有较多综述类文章总结[42,54‒55]，本文重点介绍其在COVID-19研究中的最新进展。具体讨论了如何运用这些模型增进对疾病机制的理解，并举例说明它们在发现新型干预措施中的应用。基于这些模型的快速发展及其显著成果，我们预测人源三维（3D）类器官模型将在TCM研究中得到越来越广泛的应用，从而加速TCM功效物质辨识及潜在靶点的发现。

2 器官化3D组织模型

2.1 类器官

类器官是由干细胞衍生的多细胞三维聚集体，能够自我组织并重现复杂的组织结构。这些细胞通常来源于多能干细胞（PSCs）或成体干细胞（ASCs）。PSCs包括胚胎干细胞（ESCs）和诱导多能干细胞（iPSCs），可重编程为体细胞。ASCs则来源于成体组织，可通过胶原酶、弹性酶、分散酶等酶解为单细胞悬浮液。PSCs和ASCs都可以在支架或无支架系统中培养，并通过添加复杂的生长因子和其他补充物发育成类器官。两者的主要区别在于，PSCs衍生的类器官需要首先经历初步的胚层特化步骤（内胚层、中胚层或外胚层），然后诱导发育和成熟，模拟特定器官以获得所需的类器官。而ASC衍生的类器官则需要首先分离出特定器官的干细胞群体，作为类器官形成的第一步。从iPSCs生成类器官的优势在于细胞分离方式的创伤性较小。此外，iPSC衍生的类器官具有分化为几乎所有细胞类型和复杂细胞结构（如大脑和血管类器官）的潜力。然而，iPSCs分化的细胞成熟度通常低于ASCs [56‒57]。自2009年有研究首次成功利用小鼠肠道中的ASCs建立肠道类器官以来，越来越多的研究使用来自不同来源的干细胞（包括肺、肝脏、胃、肠道、心脏、大脑、胰腺和肾脏）构建了各种类型的类器官[58‒61]。SARS-CoV-2受体在多种组织和器官中表达，包括肺、肠道、心脏、血管、肝脏、肾脏和大脑，与之一致，尸检研究也在COVID-19患者相应器官中检测到病毒基因组[62]。

接下来本文将阐述COVID-19研究中应用的类器官案例（图2 [63‒72]），探讨SARS-CoV-2感染对不同信号通路的影响及类器官在候选药物发现中的作用。

2.1.1 肺类器官

SARS-CoV-2主要靶向作用肺部，感染呼吸道和肺泡。ACE2和跨膜丝氨酸蛋白酶2（TMPRSS2）主要表达于气道中的纤毛细胞，弗林蛋白酶则广泛分布[73]。在肺泡中，ACE2是肺泡II型（AT2）细胞的主要受体[73]。

Pei等[70]从ESCs中分化出了气道类器官和肺泡类器官。研究发现，SARS-CoV-2可同时感染纤毛细胞和肺泡细胞。RNA测序（RNA-seq）分析揭示了细胞对病毒感染的早期反应，包括脂质代谢的下调和免疫反应的上调，而瑞德西韦（remdesivir）的介入可以抑制病毒复制。

Han等[65]采用人类多能干细胞（hPSC）建立了肺泡类器官模型，发现其对SARS-CoV-2易感且能诱导趋化因子强烈表达（与COVID-19患者表现一致）。通过高通量筛选美国食品药品监督管理局（FDA）批准的药物，发现了伊马替尼、霉酚酸和二盐酸奎纳克林等病毒入侵抑制剂。类似地，Lamers等[71]利用ASCs构建气道类器官，证实SARS-CoV-2病毒主要攻击气道中的纤毛细胞，而非杯状细胞。

尽管病毒感染始于近端气道，但疾病的严重甚至致命症状主要由远端肺部的AT2细胞感染及相关炎症引发。为解析近端和远端肺上皮对SARS-CoV-2的初始应答，Mulay等[72]采用ASCs建立了SARS-CoV-2病毒感染的气道和肺泡类器官，并证实瑞德西韦能够显著抑制病毒感染和复制。

2.1.2 肠道类器官

COVID-19患者通常会出现胃肠道症状，如腹泻、呕吐或腹痛，这些症状被认为与肠道中ACE2的表达有关[74]。

通常，由ASCs来源的人类肠道类器官（HIOs）仅包含上皮细胞类型[75]，而PSCs来源的HIOs（PSC-HIOs）可包含成纤维细胞或血管样细胞[76‒77]。Lamers等[71]培养了小肠类器官，并首次发现分化后的肠上皮细胞具有高水平的ACE2表达且支持病毒复制。SARS-CoV-2感染可诱导一系列细胞因子和干扰素刺激基因（ISGs）表达，其激活与I型和III型干扰素反应有关。Zhou等[64]通过ASCs构建了人类小肠和结肠类器官，并发现SARS-CoV-2主要感染这两种类器官中的肠上皮细胞，进一步证实了人类肠道可能是SARS-CoV-2的感染途径。此外，他们还发现病毒感染导致趋化因子受体（CCR）1、CCR8、白介素（IL）-16、IL-3及C-X-C基序趋化因子配体（CXCL）10上调，CCR2、CCR5和IL-5抑制，并中度诱导干扰素（IFN）-α、IFN-β和IFN-γ编码基因表达。

Krüger等[63]利用iPSCs来源的肠道类器官发现，SARS-CoV-2可感染肠内分泌细胞和潘氏细胞，但对杯状细胞无感染性；并利用该模型验证了瑞德西韦和融合抑制剂EK1的抗病毒效应，证实PSC-HIOs是改善胃肠道症状药物筛选的理想平台。

Miyakawa等[78]在无支架培养系统中构建了由iPSCs生成的肠道类器官，其中包含肠上皮细胞、杯状细胞、潘氏细胞和肠内分泌细胞。该模型可稳定表达ACE2和TMPRSS2，并可指示不同SARS-CoV-2变异株之间的感染性差异，包括武汉毒株、德尔塔（Delta）毒株和奥密克戎（Omicron，BA.1和BA.2）毒株。具体而言，德尔塔毒株的复制效率约为武汉毒株的4~6倍，而奥密克戎毒株在该模型中的复制能力极低。

2.1.3 肝脏类器官

重症COVID-19可能会引起肝损伤，并加剧MASH等肝病的严重程度。此外，患有MASH的COVID-19患者更容易发展为重症[79‒81]。目前，针对COVID-19对肝脏影响的研究主要集中在肝细胞和胆管上皮细胞[57]。

Zhao等[82]构建了肝胆管类器官，通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）发现存在ACE2⁺/TMPRSS2⁺的胆管上皮细胞。随后，Yang等[83]利用hPSC分别构建了肝脏类器官和胆管类器官，发现二者均易感染SARS-CoV-2。对肝脏和胆管类器官的转录组分析显示，SARS-CoV-2感染调控的主要信号通路与COVID-19患者死亡后肺组织样本中的调控模式一致。与胆管上皮细胞相比，病毒在肝细胞中诱导了更显著的炎症因子上调。托珠单抗干预可调节炎症基因的表达，从而减轻病毒感染引起的炎症反应，但却无法抑制病毒的复制[84]。此外，通过透射电子显微镜（TEM）观察SARS-CoV-2感染的胆管类器官，发现病毒颗粒存在于胆管类器官腔面、基底区和膜结合囊泡内部，进一步证实了SARS-CoV-2可直接损伤人类肝脏[85]。

Brevini等[69]研究发现，鹅去氧胆酸刺激的肝内胆管（IHD）、胆总管（CBD）和胆囊（GB）来源胆管类器官可维持GB特性并高表达ACE2，而缺乏胆汁酸会导致ACE2表达下调。进一步研究表明，CDCA通过激活法尼醇X受体（FXR）来调控胆管类器官中的ACE2表达，从而影响其对病毒的易感性。基于此，他们进一步发现UDCA可下调人肺细胞、胆管细胞和肠道类器官中的ACE2表达，与临床结果相符。此外，非处方药香胶甾酮（z-guggulsterone）可通过调节FXR抑制病毒感染，提示FXR激动剂在COVID-19的治疗中具有临床潜力。

2.1.4 脑类器官

临床报道显示COVID-19患者可出现头痛、意识模糊和记忆丧失等急慢性神经系统症状[86]。iPSC来源的脑类器官已被用于评估SARS-CoV-2的潜在神经嗜性。感染分化15天和60天的脑类器官发现，神经元成熟度越高，病毒感染率越高。此外，感染区域的Tau蛋白——一种与阿尔茨海默病（AD）等疾病相关的重要蛋白，发生异常定位并过度磷酸化，导致神经元应激和毒性[87]。

为了探究SARS-CoV-2是如何进入大脑的，Pellegrini等[88]构建了脉络丛（ChP）和前脑类器官。单细胞测序数据显示，ACE2和TMPRSS2的表达主要出现在ChP细胞群中，而在其他细胞群中未检测到表达。在类器官中，伪SARS-CoV-2会优先感染ChP细胞，破坏类器官完整性并诱发脑脊液渗漏，这表明SARS-CoV-2感染可能会破坏血脑屏障（BBB）。相比之下，病毒感染对神经元或胶质细胞的影响较小。有趣的是，对含有发育中胶质细胞的非定向脑类器官的研究表明，病毒感染会导致神经元细胞死亡、小胶质细胞介导的突触消除，以及促炎通路的上调，这提示含有小胶质细胞的脑类器官是研究COVID-19神经后遗症的重要模型[89]。星形胶质细胞虽然不表达ACE2，但仍可被病毒感染，研究表明二肽基肽酶4（DPP4）和分化簇（CD）147可能是潜在的受体[90]。

总而言之，神经元、ChP细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞是病毒感染的重要靶细胞。脑类器官已被用于一些药物的抗病毒药效测试，并发现索非布韦（sofosbuvir）可减少神经元细胞死亡、病毒载量和突触损伤[66]。然而，由于脑类器官的表型难以准确模拟人脑的复杂结构和功能，并且培养时间通常长达数月，导致在长时间培养过程中维持细胞活力面临巨大挑战，因此基于脑类器官的药物筛选研究仍然较为有限[91]。

2.1.5 心血管类器官

SARS-CoV-2感染可引发心血管疾病，但尸检报告显示患者心肌细胞中病毒检出率极低，提示心功能障碍主要由过度的炎症信号而非直接感染引起[92‒93]。Mills等[68]利用IFN-γ、IL-1β和聚肌胞苷酸[poly(I:C)]刺激hPSC来源的心脏类器官（hCO），从而构建心脏炎症模型，发现多个心脏细胞群呈现了强烈的病毒应答现象，在此模型上筛选一系列溴结构域和额外末端（BET）抑制剂，发现JQ-1、ABBV-744和INCB054329三种化合物能够缩短hCO的舒张时间，从而改善心功能障碍。

Khan等[94]培养了由内皮细胞（CD144⁺）和周细胞（CD140b⁺）组成的三维人血管类器官，以探究SARS-CoV-2如何感染血管并导致内皮损伤和血栓形成。研究发现，在SARS-CoV-2感染后，周细胞比内皮细胞更容易发生凋亡，并在内吞SARS-CoV-2后脱落，从而导致屏障功能降低、细胞死亡以及血管完整性丧失。

2.1.6 肾脏类器官

肾脏细胞同样表达ACE2和TMPRSS2受体，因此其也容易被SARS-CoV-2直接感染[95]。Monteil等[67]利用hESC构建了3D悬浮培养的肾脏类器官，证明了其存在ACE2高表达的细胞群，使病毒能够直接感染并在肾脏类器官内复制，生成具有感染性的子代病毒，此外，研究表明人重组可溶性ACE2（hrsACE2）可以剂量依赖性方式抑制该感染。同时，基于肾脏类器官模型还发现了一种重组可溶性ACE2抑制剂（ACE2 1-618-白蛋白结合结构域，ABD），该抑制剂能够中和病毒感染[96]，并与瑞德西韦协同发挥抗病毒作用[97]。

为了研究“长新冠”患者慢性肾病（CKD）的发展机制，Jansen等[98]采用iPSC来源的肾类器官模拟病毒感染。发现病毒能够感染近端小管细胞、足细胞和间质细胞，并导致I型胶原沉积增加，揭示了SARS-CoV-2感染与肾纤维化之间的联系。因此，该模型可用于研究感染患者的长期肾病进展，并探索相应的治疗策略。

基于类器官的研究还可应用于识别感染的高危因素及重症发展机制。在模拟早期糖尿病肾病（DKD）的人肾类器官模型中，病毒感染DKD类器官过程中观察到病毒载量要显著高于非糖尿病对照组，从分子机制来看，这可能与代谢变化及ACE2表达增加相关[99]。

2.2 原代成熟组织培养

2.2.1 气液界面培养

原代上皮细胞的气液界面（ALI）培养方法是一种特殊的3D培养模型，其具体培养方法如下：细胞被接种到一种半透支持膜（transwell）上；在细胞附着后，培养基从顶部移除，使细胞直接暴露于空气中；当干细胞在transwell中进行ALI培养时，可以分化为多种细胞类型，并形成复杂的三维屏障结构[44]。相较于3D类器官模型，ALI培养方法构建的模型实验重复性较好，更适用于病毒透过性研究。

原代气道上皮细胞的ALI培养是研究呼吸道疾病的经典模型，被用于研究多种呼吸道病毒，如流感病毒、呼吸道合胞病毒（RSV）、SARS-CoV-2等[44]，与3D顶端气道类器官不同，ALI模型中的分化纤毛细胞可直接暴露于空气，使病毒能够直接与细胞表面的受体结合，从而提高病毒感染效率[100]。

Tran等[101]从成人和儿童供体中分离人鼻上皮细胞（hNECs），并利用ALI模型建立了一种可重复的SARS-CoV-2感染模型。研究发现，与野生型病毒株（WT）相比，Delta变异株导致更显著的细胞损伤。

最近，Chu等[102]发现，与传统的癌细胞和白血病B组细胞系3（Calu3细胞系）培养相比，在ALI培养的hNECs中，呼吸道细胞特异性标志物和病毒受体的表达水平显著升高。此外，当hNECs分别感染SARS-CoV-2 WT、BA.1变异株、BA.2变异株、BA.4.1变异株和BA.5变异株后，病毒复制能力呈逐步增强的趋势。这项研究首次揭示了Omicron毒株对宿主细胞的适应性增强。

ALI模型还被用于药效评价。Ter Ellen等[103]在ALI培养的人原代支气管上皮细胞（HBECs）中测试了多种化合物的抗病毒活性，并发现白藜芦醇和紫檀芪具有良好的抗SARS-CoV-2感染的能力。此外，在类似的感染模型中，Guo等[104]证明短暂于暴露卡莫司他（camostat）能有效抑制SARS-CoV-2感染，这一发现在ALI培养的hNECs中也得到了验证[102]。

2.2.2 原代人类球体培养

类球体（spheroids）通常来源于原代细胞，在非黏附培养表面上培养时会自发聚集形成三维结构。由于其标准化程度较高，并且与完全分化的成熟人类细胞培养体系兼容，因此类球体被广泛应用于高通量药物筛选、癌症研究和疾病建模等多个领域[105‒108]。

从不同人类组织衍生的类球体已被用于研究多种感染性疾病的生物学机制。例如，来源于AT2细胞的肺类球体被用于研究RSV [109]，肝细胞类球体用于模拟丙型肝炎病毒（HCV）感染并筛选抗病毒药物[110]。在COVID-19研究中，由健康肺组织中纯化的AT2细胞建立类球体（称为人肺泡球体）成功用于模拟SARS-CoV-2感染过程[111]。值得注意的是，该模型揭示了低剂量IFN预处理可抑制病毒复制，同时证明人肺泡球体模型适用于高通量抗病毒药物筛选。由EpCAM（广谱上皮标志物）和HT2-280（AT2上皮细胞标志物）阳性细胞建立的肺泡球体，可表现出AT1和AT2细胞的共表达特征[112]，这些球体在补充Wnt、FGF、EGF和NRG1（neuregulin-1）的Matrigel基质中培养，可模拟人肺泡上皮的长期自我更新过程。此外，该肺泡球体模型保留了对SARS-CoV-2的易感性，使其适用于抗病毒的药效筛选研究。这一培养策略同时克服了AT2细胞在传统培养条件下会在几天内失去自我更新能力的缺陷，有助于研究SARS-CoV-2在肺泡上皮中的传播机制[113]。

在肾脏研究中，与肺部模型观察到的现象类似，单层培养会导致肾小管上皮细胞出现去分化现象，而肾脏类球体（KSPH）能够更好地维持肾小管结构的细胞组成[114]。值得注意的是，KSPH与单层培养的直接比较显示，尽管类球体培养的细胞ACE2表达水平更高，但SARS-CoV-2在单层培养中的感染率和复制效率更高，这可能是由于单层培养的细胞表面积与体积比更大。然而，在这两种培养模型中，病毒感染均未引起严重的细胞病理变化或损伤，表明SARS-CoV-2并不会直接损伤肾小管。

人原代肝细胞（PHH）及其他肝细胞来源的类球体被广泛用于研究肝脏感染和损伤情况。在该模型中，肝细胞能够在数周内维持稳定的转录组、蛋白质组和代谢组特征[115‒117]，包括SARS-CoV-2感染相关的关键基因表达，如ACE2。研究发现，肝细胞的ACE2表达水平明显低于肺组织，但在I类干扰素等促炎细胞因子的作用下，ACE2表达上调，会导致SARS-CoV-2感染能力增强[118]。除了调控ACE2表达外，SARS-CoV-2感染肝细胞后还会影响凝血因子的表达，这可能与重症COVID-19患者中常见的凝血障碍有关。基于肝脏类球体模型还发现了一种新的抗病毒巨细胞饮抑制剂virapinib [119]。到目前为止，肝脏类球体是唯一一种直接推动临床药物快速再利用于COVID-19治疗的器官模型，其加速了口服抗炎药巴瑞替尼（baricitinib）的临床再利用，大型结构化知识图谱预测该药物具有双重作用机制：直接抑制SARS-CoV-2感染，通过抑制numb相关激酶AP2相关蛋白激酶1（AAK1）和周期素G相关激酶（GAK），阻止病毒进入细胞；通过抑制Janus激酶/信号转导及转录激活因子（JAK/STAT）信号通路发挥抗炎作用，减少炎症反应[120]。Baricitinib通过抑制ACE2的表达，在纳摩尔级浓度下减少病毒感染。基于这些发现，该药物迅速进入临床试验，并发现其可显著降低达30%的死亡率，即便在重症及死亡风险最高的老年人群中也同样有效[121‒122]。最终，FDA于2020年紧急授权（EUA）baricitinib用于COVID-19治疗。该药物至今仍是WHO唯一推荐用于治疗重症或危重COVID-19患者的药物之一，仅次于糖皮质激素和IL-6受体阻断剂[123]。

3 器官芯片模型

相较于静态培养，微流体系统能够更精准地模拟灌流环境及人体组织间的相互作用。器官芯片（OoC）模型模拟的微生理系统（MPS）可再现生物力学输入及其动态特性，如营养物质与氧气供应、剪切力等，这些因素对细胞表型具有重要影响。此外，该系统允许在单一互联培养体系中共培养多种细胞类型，从而模拟不同器官间的相互作用，或重现药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）过程[124‒126]。基于其更高的生理相关性，OoC模型要优于传统静态培养，适用于研究SARS-CoV-2在多器官系统中的传播和影响[71,98,127‒129]。

3.1 肺芯片

肺芯片模型可用于模拟肺泡和小气道的功能[130‒132]。其中，肺泡-毛细血管屏障通过将肺泡上皮细胞与血管内皮细胞共培养于渗透膜两侧实现[图3（a）]。此外，该系统还可通过周期性拉伸培养膜来模拟呼吸过程中生物力学参数的变化[133]。

Zhang等[134]构建了一种仿生人肺泡芯片，在生理性流体流动条件下共培养了人肺泡上皮细胞、肺微血管内皮细胞和免疫细胞。SARS-CoV-2感染实验表明，肺泡上皮细胞比内皮细胞更容易受到病毒感染。感染加剧了炎症，进一步加剧了肺泡的损伤，而瑞德西韦治疗可抑制病毒复制、细胞因子释放和肺泡屏障损伤。

在由人原代肺上皮细胞和肺微血管内皮细胞组成的类似装置中，研究发现ACE2和NRP1在SARS-CoV-2感染过程中影响TMPRSS2在肺泡腔中的表达水平[135]。病毒载量的定量分析表明，SARS-CoV-2可迅速从肺泡上皮层转移至下方的内皮层，导致低CD31表达的细胞簇形成，并伴随屏障完整性逐渐丧失，最终形成有利于凝血的内皮微环境。此外，内皮细胞感染还会引发持续性炎症反应，如IL-6表达升高。值得注意的是，体外暴露于IL-6拮抗剂托珠单抗并未改善内皮细胞损伤，表明IL-6不是SARS-CoV-2引起的内皮细胞损伤的关键介质。

除了肺泡相关模型之外，微流控平台也被应用于模拟SARS-CoV-2在气道中的感染过程。使用由人原代肺支气管基底干细胞和微血管内皮细胞组成的微流控双通道人肺支气管芯片，发现SARS-CoV-2假病毒颗粒（SARS-CoV-2pp）在模拟空气传播时可有效感染肺气道上皮细胞，其中SARS-CoV-2 S蛋白是病毒感染的关键[136]。基于H1N1流感病毒感染的动态分析以及氯喹、羟氯喹和奥司他韦等抗病毒药物的疗效评估[137]，得出上述研究成果。随后，研究人员在芯片及人肝癌细胞系7（Huh-7，常用于研究SARS相关病毒感染）的静态培养体系中评估了一系列抗病毒药物的效果。有趣的是，羟氯喹、氯喹和阿比多尔在Huh-7细胞中展现出较好的抗病毒活性，但在OoC模型中未能抑制病毒进入。这一结果与相应候选药物的临床试验结果一致[137‒139]。相比之下，阿莫地喹在OoC模型中展现出良好的抗病毒效果，这一结果在仓鼠SARS-CoV-2感染模型中也得到了进一步验证[136]。然而，阿莫地喹在临床试验中并未表现出显著疗效。因此，本研究表明，OoC模型可显著提升药物筛选过程中先导化合物的识别效率，但仍需要进一步优化，以提高肺芯片的临床转化相关性。

3.2 肠道芯片

肠道芯片侧重于模拟人类肠道的屏障功能和蠕动，建立生理性氧气梯度，再现肠绒毛样结构。因此，设计时需要兼容外部拉伸和水凝胶支架的使用。此外，在设计肠道MPS时，还需要考虑材料的渗透性以适应腔内和浆膜腔之间的相互作用[140‒141]。

最初的肠道芯片设计包含两个由刚性半透膜分隔的通道，其中一个通道接种了永生化人肠上皮细胞[142]。这种类型的芯片被广泛使用，能够量化屏障功能以及营养和药物的吸收[143]。然而，这种单层培养系统只能在有限的时间内稳定存在，无法形成具有绒毛和黏液层的三维结构，并且无法适应微生物的定植。为了解决这些限制，聚合物支架的应用和蠕动模拟改善了绒毛形成、分化标志物表达，并提升整体肠道表型[144‒146]。在微生物和病毒感染研究中，具有液流和类似蠕动运动的动态肠道芯片模型展示了比静态单层细胞培养高出10 000倍的感染效率。此外，这些芯片已被证明能够分析肠道病毒感染、复制和感染性病毒粒子的产生[147‒148]。

Guo等[149]构建了由人肠上皮层（Caco-2和黏液分泌型HT-29细胞）和血管内皮层组成的肠道芯片，并在体外形成了类似绒毛的结构，具备黏蛋白分泌功能[图3（b）]。将SARS-CoV-2作用于芯片后，发现肠上皮细胞比内皮细胞更易受病毒感染，且上皮层与内皮层之间的连接遭受严重破坏，血管内皮细胞也受到了损伤。这一发现表明，病毒感染可导致肠道屏障完整性的破坏，因此，该平台对模拟肠道SARS-CoV-2感染具有重要价值。类似地，Bein等[150]将HIOs与微流控培养结合，构建了一个双通道肠道微流控芯片；一侧通道接种了从解离的类器官中分离出的细胞，另一侧则培养了血管内皮细胞。研究发现，与传统类器官培养或transwell培养相比，该肠道芯片中的增殖性干细胞数量减少，但ACE2的mRNA表达水平显著升高。利用该芯片，研究人员测试了多种药物对NL63冠状病毒复制的抑制效果，发现萘莫司他可有效抑制NL63复制，而许多被证实能抑制SARS-CoV-2感染复制的药物在该模型中未有显著效果。此外，研究人员将荧光标记的外周血单核细胞（PBMCs）引入该模型，以研究免疫细胞的募集和激活。结果显示，NL63感染诱导了促炎细胞因子表达，并导致血管内皮损伤。尽管萘莫司他可抑制病毒复制，但并未减少炎性细胞因子向血管通道的释放。

3.3 脑芯片

神经血管单元（NVU）的芯片模型由脑微血管内皮细胞、星形胶质细胞、周细胞和神经元组成，能够模拟BBB以及神经元与胶质细胞之间的相互作用[151]，如图3（c）所示。Buzhdygan等[152]在I型胶原、透明质酸和基质胶组成的水凝胶中培养人脑微血管内皮细胞，构建了BBB模型。研究发现，SARS-CoV-2 S蛋白可改变BBB的屏障特性并诱导内皮细胞炎症反应。此外，一项基于肺泡芯片与人BBB芯片相互连接的共培养系统的研究发现，SARS-CoV-2直接感染BBB芯片仅引起轻微损伤，而来自SARS-CoV-2感染肺泡芯片的培养基会显著破坏BBB，并诱发神经炎症[153]。这一创新性研究方法有效模拟了COVID-19感染期间，过度促炎细胞因子释放对非肺组织的影响，并进一步支持了肺部感染引发的系统性炎症对BBB功能障碍和神经炎症发生有关键作用。

3.4 肝芯片

尽管肝脏损伤在重症COVID-19中十分常见，并且3D肝脏类器官培养系统极大促进了药物开发，但关于肝脏MPS的研究仍较为有限。Deguchi等[154]构建了微流控装置，将肝细胞与胆管细胞或内皮细胞共培养[图3（d）]。将SARS-CoV-2加入培养基中，发现病毒能够进入血管通道并破坏血管屏障，相比之下，并未观察到胆管通道的病毒传播。在这两种芯片模型中，均观察到病毒可以直接感染肝细胞的现象，这表明COVID-19中的肝损伤至少有部分是由直接感染引起的。瑞德西韦和巴瑞替尼能够抑制肝脏MPS中SARS-CoV-2的复制，并改善肝脏损伤，这表明免疫调节剂和抗病毒化合物的联合应用可能对COVID-19引起的器官功能障碍具有潜在的治疗效果。然而，目前尚不明确的是，在这种背景下，肝脏MPS是否比传统的静态肝脏类球体培养系统具有额外的优势。

3.5 多器官芯片

多器官芯片（multi-OoC）能够通过重建复杂的生物过程和疾病状态来模拟人体生理过程，尤其是组织间相互作用的过程。利用人诱导多能干细胞（hiPSCs）、微流控技术和优化的培养基，可以建立multi-OoC模型，其最常见的应用之一是药物安全性评估。Yin等[155]开发了一个多器官芯片系统，使用hiPSC来源的肝脏和心脏类器官，能够在体外评估抗抑郁药物经肝脏代谢后的心脏安全性。Ronaldson-Bouchard等[156]设计了一种名为InterOrgan组织芯片的多器官模型，其中包括由hiPSC来源工程化的心脏、骨骼、肝脏和皮肤组织，实现了生物工程组织的生理相关性整合。通过该组织芯片，他们研究了多器官毒性，以探讨由肝脏代谢的化疗药物多柔比星的多器官毒性。此外，multi-OoC还被开发用于研究不同组织的初级人类三维培养模型之间的相互作用。值得注意的是，目前为止提出的几乎所有multi-OoC都采用干细胞、细胞系或未成熟表型细胞的2D培养。唯一一个微流控共培养两种器官型原代人培养模型的案例是肝脏和胰腺，研究者使用模块化气动装置证明了在营养挑战下，完整的人胰岛与3D人肝脏培养之间的功能性激素信号可以重现，证明了分子和功能终点的相关性，使对血糖控制的研究成为可能[157]。尽管multi-OoC被认为是极具潜力的模型，但同时与COVID-19相关的研究寥寥无几。Wang等[158]建立了一个连接的肺泡-BBB器官芯片，为研究SARS-CoV-2感染的多器官背景提供了概念验证。目前，诸如芯片设计、实验复杂性和多组织模型的培养基兼容性等问题仍然阻碍着这些模型的广泛应用。

3.6 MPS的优势与局限性

由于动物模型的研究结果往往无法准确预测人体对COVID-19的反应，而前述的传统2D细胞培养模型或3D单培养模型无法有效模拟生理环境及病毒传播[149,159‒160]，因此，利用OoC模拟体内MPS环境，进而研究COVID-19的复杂系统性机制具有广阔的应用前景。然而，当前关于MPS的研究仍存在一定局限性。例如，芯片设计样式繁多但是缺乏标准化规范。大多数微流控芯片采用软光刻技术制造，并以聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为主要材料，然而，PDMS往往具有较强的药物吸附性，可能影响药物浓度的稳定性，从而对药理学和毒理学研究产生不利影响[161]。许多微流控芯片结构较为复杂，难以实现高效批量生产，导致通量较低，无法完成大规模药物筛选工作[162‒163]。尽管阵列芯片（array chips）专门用于解决这些问题[164]，但当使用注射泵或内部阀系统时，创建完全无菌的环境可能具有挑战性[165]。

因此，目前针对不同器官模型的工程设计和灌流策略仍然存在挑战，建立multi-OoC模型来研究病毒感染引起的继发性多器官损伤挑战较大。此外，当前大多数芯片采用单通式灌流，无法实现培养基条件化，因此较难模拟生理环境下组织的相互作用[166]。

4 TCM抗COVID-19研究

TCM在全球范围内的应用日益广泛，并在治疗病毒感染及多种炎症性疾病方面展现出一定的疗效[167‒170]。然而，由于TCM通常由复合配方组成，而非单一的药理活性成分，因此难以明确其中的活性成分、精准作用靶点及相应作用机制。过去三年中，针对SARS-CoV-2的TCM抗病毒作用研究取得了进展，研究方法涵盖计算机分析研究、体外实验及体内实验研究等多层次手段。

计算机分析方法如网络药理学和分子对接，已识别出TCM配方中的多种活性物质以及抗COVID-19的潜在靶点（表1 [171‒188]）。通过多项研究辨识到天然活性产物如槲皮素、木犀草素、山柰酚和芦丁，以及潜在靶点包括3-胰凝乳蛋白酶样蛋白酶（3CL pro）、ACE2、AKT丝氨酸/苏氨酸激酶1（AKT1）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和IL-6。因此，这些方法可以作为初步筛选手段，从而开发多化合物、多靶点和多通路的相互作用网络[188]。然而，由于数据库之间的重叠性及缺乏实验验证的原因，计算模拟所得结果仍需进一步的体外及体内实验进行确认，以提高研究的可靠性。

体外模型被用于验证和进一步探索计算机分析的研究结果。感染SARS-CoV-2的Vero E6细胞是鉴定具有直接抗病毒活性化合物的常用模型。研究发现，连花清瘟、六神丸、双黄连制剂和蒲地蓝消炎口服液均能显著抑制病毒复制。其中，双黄连的两个主要成分——黄芩苷和黄芩素，被鉴定为3CL pro的首批非共价非肽类抑制剂[189‒191]。在后续实验中，越来越多的化合物（如青蒿素B和苯芴醇）被发现具有体外抗SARS-CoV-2的作用[192]。Zhang等[193]开发了一种基于Vero E6细胞中SARS-CoV-2感染诱导的细胞病理效应的高通量化合物筛选方法，该方法极大地助力了潜在抗病毒药物的识别。

为模拟COVID-19诱导的巨噬细胞浸润及肺部过度炎症反应，Li等[194]采用RAW264.7细胞构建了炎症模型。添加SARS-CoV-2 S蛋白后，他们观察到细胞培养上清液中MCP-1、IL-6和TNF-α表达增加，而清肺排毒汤、化湿败毒方和宣肺败毒颗粒可显著降低这些炎性因子。然而，该研究主要比较了这三种方剂的广谱抗炎作用，无法直接转化至临床应用。Li等[195]用SARS-CoV-2处理Huh-7细胞，发现连花清瘟颗粒可剂量诱导地抑制病毒诱导释放的TNF-α、IL-6、CCR2/MCP-1和CXCL10，但该研究未能证明连花清瘟颗粒在肺细胞系中抑制炎症因子的作用。针对中药及其活性成分的筛选研究也在不断推进。Mei等[196]构建了感染含SARS-CoV-2 S蛋白假病毒的Calu-3和293T-ACE2细胞模型。利过荧光信号检测评估病毒感染性，发现麻黄来源的喹啉-2-羧酸具有抗病毒功效。

啮齿动物模型被用于模拟COVID-19感染的体内情况。Wu等[197]构建寒冷潮湿环境中人冠状病毒229E（HcoV-229E）诱导的小鼠肺炎模型，该模型显示小鼠肺部促炎细胞因子水平升高且外周血免疫细胞丰度降低，与COVID-19临床表现一致，研究中的清肺排毒汤显示出了显著的免疫调节和抗炎作用，与其临床免疫调控效应一致。进一步的研究发现，清肺排毒汤还能够缓解肝脏损伤、代谢功能障碍及肠道菌群失调，提示其免疫调节作用的潜在机制[198]。Deng等[191]使用hACE2转基因小鼠感染SARS-CoV-2模型，发现蒲地蓝消炎口服液可减少肺组织中病毒拷贝数和炎性细胞浸润。

尽管大量研究证明TCM在治疗COVID-19中的显著疗效，并识别了多种具有抗病毒活性的中草药及其成分，但仍然存在一些局限性，尤其是在体外模型的应用方面。这些限制包括生理相关性不足、使用表型不相关的永生化细胞以及细胞类型表征不完整等。正如第2节和第3节所述，SARS-CoV-2感染涉及多个器官，研究TCM的多靶点、多通路效应需利用器官化模型或MPS模型，才能更好地助力于TCM功能机制的发现和理解

目前，已有TCM相关研究采用先进的体外模型，Lee等[199]利用细胞系和类器官构建抗COVID-19的药效筛选和验证平台，基于假病毒感染细胞系完成药效筛选，并于Omicron S蛋白感染的肺类器官上进行验证，发现了活性天然化合物K-4和M-4。然而目前并未有研究构建基于类器官的COVID-19药物筛选平台。当前类器官在TCM中的应用主要集中于毒性评价领域，有研究团队基于HepaRG细胞球成功搭建了评估TCM成分肝毒性的高通量平台[200]。此外，还有一些其他3D肝脏模型，用于评估小分子肝毒性，这些模型同样可以被广泛应用于TCM的筛选[201]。Gu等[202]构建iPSC诱导的肾脏类器官模型，用于评估TCM来源化合物商陆皂苷甲（esculentoside A）的肾毒性。这些研究标志着TCM科学探索的重要进展。先进体外模型有望拓宽研发范围，助力创新安全TCM疗法的发现与开发。

5 结论与未来展望

基于肺、肝脏、肾脏、脑、心脏、肠道等多器官的类器官模型和MPS被广泛用于COVID-19研究，以探讨组织特异性及系统性病理机制。这些模型的核心优势在于能精确模拟体内组织的关键结构与功能特性[133,203]。如本文所述，利用这些模型可以深入解析病毒在不同器官中的感染机制及其后续的系统性传播。稳定的3D类球体培养体系可用于高通量筛选抗病毒药物，因其比Vero E6或其他2D细胞模型能更真实地再现细胞互作与病毒感染的空间定位。此外，涉及药物代谢和转运的器官化模型能够更好地模拟相应药物的代谢过程及体内药代动力学，而相较于动物模型，基于人原代细胞的器官化模型具有显著转化优势。与静态3D模型相比，MPS模型通过模拟剪切力、氧合作用、屏障功能和血流等，提升了模拟体内微环境的仿真度。但由于通量较低的原因，其不适用于大规模的分子筛选。此外，不同器官间的相互作用研究仍然有限，主要受限于培养基成分的不同需求及单通式灌流所带来的问题[165]。技术稳健性也是一大挑战，因为微小的外部物理因素（如微气泡的形成等）都可能导致模型构建的失败[204]。

类器官可模拟多种病理状态。大量研究揭示了ASC来源类器官的独特优势：通常能够更快速形成，并在组织结构和功能上更接近体内对应组织。相比之下，hPSC来源的类器官形成速度较慢[205]。对于更为复杂的器官（如大脑），hPSC是更适合的细胞来源，因为其能够在体外生成多种人源细胞类型[206]，这一特性在缺乏可直接获取ASC的器官（如神经系统）中尤为重要。总体而言，类器官可通过适当方法建立，并用于代谢分析、药物筛选和疾病机制研究[65]。但在肝脏、心脏、肾脏、脑等多数组织中，类器官无法再现完全分化细胞的表型，导致其在临床转化方面存在一定的局限性。

TCM在COVID-19及其他传染病的预防和治疗中展现出良好的疗效，这促使研究人员进一步探索其作用机制[207‒209]。目前，TCM研究通常采用整合式研究流程，结合计算模拟、体外实验和动物实验多层方法，以筛选、表征并验证TCM配方中的抗病毒及抗炎成分（图4）。然而，这些策略存在固有局限。例如，网络药理学预测的活性成分及主要作用靶点会由于数据库的问题而并不完全可信[37,210‒211]；分子对接等虚拟验证方法不足以阐明活性成分的作用机制；体外S蛋白刺激无法完全复制病毒感染过程，且诱导的巨噬细胞炎症可能无法真实模拟细胞因子风暴阶段；使用Vero E6等简单模型的细胞实验难以反映体内感染的复杂环境与组织特异性，而动物实验结果常因物种差异难以转化。

据报道，红景天等草药对多种心血管疾病、神经退行性疾病和代谢性疾病具有治疗作用[212‒213]。类似地，八宝丹（Babaodan）虽主要用于治疗肝脏相关疾病，但COVID-19研究揭示了其在肺部炎症治疗中也有效。这表明，TCM的作用并不仅限于单一组织，而是可能影响多个生理系统[212]。为了更准确地评估TCM的疗效，需要采用更具生理相关性的体外模型。类器官模型或MPS可更真实地模拟人体病理过程，在该领域的研究中至关重要。此外，基于患者来源细胞构建的模型同样具有巨大潜力，可用于个性化中医药治疗研究，有助于探索特定证候的治疗效果（图5）。截至目前，在PubMed数据库中，以关键词“traditional Chinese medicine”和“organoid”进行检索，仅找到6篇相关文献；而搜索“traditional Chinese medicine”和“organ-on-a-chip”则未能找到任何相关研究。这凸显了当前这些模型在TCM研究中的应用仍然十分有限。后续研究的开展应选择最合适的临床前研究模型，以确保TCM研究的科学性和可靠性，使中药药效筛选工作具有意义。

应对新型突发传染病，TCM具有快速应用经验方的独特优势。在缺乏特异性抗病毒治疗方案时，可争分夺秒地组方优化中药新药。这一优势在近年COVID-19大流行中已得到充分体现。我们相信，通过将前沿模型与中药抗病毒治疗中积累的宝贵经验相结合，TCM可在未来发挥更重要的作用。

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