摘要双特异性T细胞衔接抗体BiTE/TCE和CAR-T、TCR-T等免疫细胞疗法在肿瘤治疗研究中具有重要价值但这类治疗方式在产生抗肿瘤效应的同时也可能引发T细胞过度活化、细胞因子释放综合征CRS和正常组织损伤等安全性问题。本文围绕罗氏创新中心研究者使用InSphero Akura Twin微流控器官芯片开展的HER2×CD3 BiTE研究梳理该平台如何在同一高通量双器官共培养体系中同步评价抗肿瘤药效、免疫细胞浸润、炎症因子释放和肝毒性并进一步区分T细胞直接浸润损伤与CRS介导的间接肝损伤为免疫治疗候选药物非临床安全性评价提供参考。关键词器官芯片、肝毒性、T细胞治疗、免疫毒性、微流控器官芯片、Akura Twin、BiTE疗法、3D微组织、非临床安全性评价、抗肿瘤药效、CAR-T、细胞因子释放综合征、双特异性T细胞衔接抗体、InSpheroBiTE和T细胞疗法为什么需要同时评价药效与安全性双特异性T细胞衔接抗体Bispecific T Cell EngagerBiTE通过一端识别肿瘤相关抗原另一端结合T细胞表面的CD3从而把T细胞定向募集到肿瘤细胞附近并诱导肿瘤杀伤。这类策略在理论上能够增强免疫细胞对肿瘤的识别和清除但它的风险也来自同一个机制T细胞一旦被强烈激活不仅可能杀伤肿瘤细胞也可能引发大量炎症因子释放、正常组织旁观者损伤和系统性免疫毒性。因此在BiTE、TCE、CAR-T和TCR-T等免疫治疗研究中单纯观察“肿瘤有没有被杀伤”是不够的更关键的是要在接近人体相关的模型中同步判断抗肿瘤效应、免疫活化强度和潜在正常组织毒性。传统体外肿瘤细胞杀伤实验通常可以回答候选分子是否具备靶向杀伤能力但难以同时模拟实体瘤微环境、免疫细胞浸润、细胞因子释放以及远端正常组织毒性。动物模型虽然可以提供完整机体环境但人源T细胞、人源肿瘤模型和人源肝脏毒性之间存在物种差异且通量、成本和机制解析能力有限。对于早期候选分子筛选而言如果能够在一个可控的人源3D模型中同时放入肿瘤微组织、肝脏微组织和免疫细胞并通过微流控体系控制两类组织之间的物质交换和细胞通信就更有机会在临床前阶段发现治疗窗口和潜在风险机制。InSphero Akura Twin微流控器官芯片正是围绕这种需求设计。它采用并排双腔共培养结构可以让两个3D微组织在同一芯片中发生可控相互作用同时支持引入免疫细胞适用于器官间串扰、免疫响应、肿瘤杀伤和正常组织安全性评价等研究。罗氏创新中心研究者使用Akura Twin芯片同步评价HER2×CD3 BiTE候选药物的抗肿瘤药效、免疫活化和肝脏安全性为免疫治疗药物早期非临床评价提供了一个具有代表性的应用案例。围绕InSphero Akura Twin、3D微组织和器官芯片模型的相关资料也可参考InSphero相关技术资料页面。图罗氏创新中心制药研究与早期开发部门使用InSphero AG Akura Twin微流控器官芯片开展相关研究。Akura Twin双腔共培养系统的模型逻辑Akura Twin芯片采用并排双腔共培养设计可以在同一芯片中放置两个3D微组织例如肿瘤微组织与肝脏微组织或两个不同器官来源的球体或类器官。与传统Transwell或简单共培养相比这种结构的价值在于它不是把所有细胞直接混在一起而是通过可控的微流控通道和重力驱动灌流系统让可溶性因子、免疫细胞和培养介质在两个组织之间以更可控的方式交换。这样既能保留不同微组织自身结构也能模拟器官间信号串扰和免疫介导的远端效应。图1. Akura Twin共培养系统毒性测试示意图。使用Akura Twin检测细胞因子或诱导免疫反应的药物及细胞治疗方案对同一肿瘤来源组织或不同器官来源健康/疾病组织产生的非靶标效应。从实验平台角度看Akura Twin具有高通量优势单块培养板最多可同时开展192种实验条件并可与可编程重力驱动灌流系统配合使用。研究人员可以选择性地控制相连培养腔之间的可溶性因子和免疫细胞交换并在长期给药、多次换液和高通量成像条件下维持微组织不丢失。SureXchange凸台设计有助于在换液过程中保留微组织通道抗黏附涂层和成像兼容性也有助于后续进行免疫染色、活性检测和形态观察。图2. Akura Twin器官芯片组合示意图。该系统可与InSphero可编程一体式倾斜器配合使用实现多器官串联和具有生理相关性的流体剪切力SureXchange结构可降低长期给药和多次换液过程中微组织丢失风险。实验设计肿瘤-肝脏双组织与PBMC共同构建免疫功能模型该研究的目标是基于Akura Twin芯片同步解析HER2×CD3 BiTE药物的抗肿瘤药效、免疫细胞活化和肝脏安全性。模型设计包含三个关键组成部分。第一部分是InSphero 3D InSight肝脏微组织模型该模型由原代人肝细胞、Kupffer细胞和内皮细胞共同构成可以更接近人源肝脏微环境并用于检测候选药物或免疫反应引发的肝细胞损伤。第二部分是InSphero 3D InSight Tumor-CAF共培养模型用于模拟包含肿瘤细胞和癌相关成纤维细胞的肿瘤微环境。第三部分是非自体来源免疫细胞PBMC以及临床候选HER2×CD3 BiTE药物runimotamabRG6194用于诱导T细胞活化、肿瘤杀伤和可能的免疫相关毒性。图3. 实验设计及模型表征。该体系将3D肿瘤-CAF模型、3D肝脏微组织、PBMC和HER2×CD3 BiTE药物纳入同一高通量双器官芯片环境中。这种设计的核心优势在于可以在同一平台中同时回答多个问题HER2×CD3 BiTE是否能够诱导免疫细胞进入肿瘤组织并杀伤肿瘤细胞T细胞活化是否伴随大量炎症因子释放肝脏微组织是否发生ALT释放或细胞凋亡肝损伤是由免疫细胞直接浸润肝组织造成还是由肿瘤侧免疫活化产生的细胞因子间接介导。相比只做单独肿瘤杀伤实验或单独肝毒性实验这种双器官模型更适合判断药效与毒性之间的关系从而帮助划定候选药物的安全治疗窗口。抗肿瘤药效HER2×CD3 BiTE呈现细胞数量和剂量双重依赖在抗肿瘤药效评价中研究首先向体系加入梯度数量的外周血单个核细胞PBMC并比较αCD3/αCD28处理组、HER2×CD3 BiTE给药组和静息PBMC对照组的表现。结果显示αCD3/αCD28处理组与1 μg/mL HER2×CD3 BiTE给药组均呈现细胞数量依赖性的肿瘤消退效应而仅添加静息PBMC的组别未观察到抗肿瘤作用。这说明在该体系中单纯存在免疫细胞并不足以造成肿瘤杀伤T细胞需要通过广谱激活或BiTE介导的靶向激活才能产生显著抗肿瘤效应。在体系含有5000个PBMC也就是效应细胞与肿瘤细胞E:T比例为1:5的条件下研究进一步给予梯度浓度HER2×CD3 BiTE处理并观察到剂量依赖性肿瘤杀伤效果。这一结果说明Akura Twin模型不仅能观察有无药效还能对候选BiTE分子的剂量效应关系进行比较。对于早期候选药物筛选而言剂量-效应数据非常关键因为它有助于判断低剂量是否已具备足够药效高剂量是否会显著增加免疫活化和毒性风险。图4. HER2×CD3 BiTE以剂量依赖方式诱导肿瘤杀伤。免疫组化结果进一步支持了这一药效机制。在含有5000个PBMC的体系中αCD3/αCD28处理组和1 μg/mL HER2×CD3 BiTE处理组在培养第7天均可观察到CD3⁺、CD8⁺、颗粒酶B阳性免疫细胞大量浸润至肿瘤微球内部并且活化Caspase-3染色证实肿瘤细胞发生死亡。相比之下无PBMC组和仅静息PBMC组均未出现明显免疫细胞浸润也未观察到肿瘤细胞凋亡。这说明HER2×CD3 BiTE并不是通过直接毒杀肿瘤细胞发挥作用而是通过募集并激活T细胞实现靶向免疫杀伤。图5. HER2×CD3 BiTE杀伤肿瘤的免疫组化染色结果图。CD3⁺、CD8⁺和颗粒酶B阳性免疫细胞浸润肿瘤微球并伴随活化Caspase-3阳性细胞死亡信号。免疫活化体外复现T细胞激活介导的炎症因子释放BiTE类药物的关键安全性风险之一是T细胞被激活后释放大量炎症因子并可能引发细胞因子释放综合征CRS相关反应。在该研究中体系内加入5000个PBMC并以10 μg/mL HER2×CD3 BiTE处理后可观察到杀伤性T细胞相关炎症细胞因子大量分泌。这说明Akura Twin模型不仅可以观察肿瘤微组织是否被杀伤也能监测免疫活化后的可溶性因子变化从而把药效和免疫毒性放在同一体系中评价。图6. HER2×CD3双特异性衔接器诱导炎症细胞因子释放。对于BiTE、TCE、CAR-T和TCR-T等免疫治疗研究来说细胞因子数据具有重要解释价值。如果一个候选药物在较低剂量下即可产生明显肿瘤杀伤但炎症因子释放相对有限说明其安全窗口可能更理想如果抗肿瘤效应需要依赖较高剂量同时伴随强烈细胞因子释放就需要进一步关注临床转化中的免疫毒性风险。因此在同一模型中同步获得肿瘤消退、免疫细胞浸润、细胞因子释放和肝脏损伤数据有助于更系统地判断候选分子的开发价值。肝毒性评价ALT释放提示急性肝损伤具有时间和剂量特征肝脏是药物安全性评价中非常重要的器官之一而免疫治疗药物引起的肝损伤可能来自不同机制。第一种机制是免疫细胞直接进入肝组织并造成肝细胞损伤第二种机制是T细胞活化后产生大量细胞因子进而间接诱导肝细胞应激或损伤。Akura Twin双器官模型的优势在于可以在同一体系中通过组织空间位置、免疫浸润和肝损伤标志物变化对这两类机制进行区分。研究显示当体系中分别加入αCD3/αCD28或1 μg/mL HER2×CD3 BiTE并搭配梯度数量PBMC共同培养时培养第3天出现细胞数量依赖性的丙氨酸氨基转移酶ALT急性释放但培养至第7天未再观察到该现象。这说明PBMC数量越高早期急性肝损伤信号越明显但该损伤具有一定时间窗口并非持续累积到第7天。图7. 梯度PBMC诱导急性肝损伤。第3天ALT释放呈细胞数量依赖性第7天毒性消退。在进一步剂量实验中体系内加入5000个PBMC并给予梯度浓度HER2×CD3 BiTE处理以第3天上清ALT释放量作为肝损伤评价指标可以观察到剂量依赖性急性肝损伤而该肝损伤效应在第7天已经无法检出。这一结果提示HER2×CD3 BiTE介导的肝损伤可能与早期强免疫活化和炎症因子释放有关而不是持续性肝组织破坏。图8. 梯度HER2×CD3 BiTE诱导急性肝损伤。第3天ALT释放呈剂量依赖性第7天损伤缓解。机制区分直接T细胞浸润损伤与CRS介导间接肝损伤肝脏免疫组化结果进一步揭示了两类肝损伤机制之间的差异。在含有5000个PBMC的体系中αCD3/αCD28广谱T细胞激活组在培养第7天可见大量CD3⁺、CD8⁺和颗粒酶B阳性免疫细胞浸润肝脏微球同时活化Caspase-3染色显示肝细胞凋亡。这说明广谱T细胞激活可以导致免疫细胞直接进入肝脏组织并诱导肝细胞死亡属于直接免疫细胞浸润相关损伤。相比之下HER2×CD3 BiTE处理组未见免疫细胞向肝脏组织明显浸润但仍可在早期观察到ALT释放。这提示该BiTE引发的肝损伤更可能来自CRS相关间接机制即T细胞在肿瘤侧被激活后释放炎症细胞因子随后这些可溶性因子通过器官间串扰影响肝脏微组织。这种机制区分非常重要因为不同毒性机制对应不同优化策略。如果损伤主要来自直接肝组织浸润可能需要关注靶抗原表达、T细胞分布和组织选择性如果损伤主要来自细胞因子间接效应则需要关注剂量、T细胞活化强度、细胞因子释放谱和给药策略。图9. 肝脏组织免疫组化。广谱T细胞激活剂可诱导T细胞直接浸润肝脏并造成肝细胞凋亡而HER2×CD3 BiTE处理组更符合细胞因子介导的间接肝损伤特征。研究结论双器官芯片帮助更准确划定治疗窗口综合肿瘤杀伤、T细胞浸润、炎症因子释放、ALT释放和肝组织免疫染色结果Akura Twin双器官芯片能够在同一体系中同步评价BiTE药物的药效和安全性并帮助区分直接免疫细胞浸润损伤与CRS介导间接肝毒性。对于HER2×CD3 BiTE这类药物来说理想候选分子不仅需要在较低剂量下诱导足够肿瘤杀伤还需要尽可能降低系统性免疫活化和正常组织毒性风险。双器官共培养模型可以将这些维度放在同一实验框架中比较从而更准确地界定候选药物治疗窗口。对于BiTE、TCE、CAR-T和TCR-T等免疫治疗开发项目而言类似模型可以作为传统二维肿瘤杀伤实验和动物实验之间的补充工具。它能够在体外重建人源3D肿瘤微环境、人源肝脏微组织和免疫细胞之间的动态相互作用并在较高通量下比较不同剂量、不同E:T比例和不同候选分子的药效与安全性差异。实际应用中仍需结合药物靶点、组织表达背景、免疫细胞来源、细胞因子检测面板和下游验证方式进行实验设计。FAQ1. Akura Twin与普通共培养模型的区别是什么Akura Twin采用并排双腔微流控共培养设计可以在同一体系中放置两个3D微组织并通过可控流体交换和免疫细胞引入模拟器官间串扰。普通共培养模型往往难以同时保留两个组织的空间结构也较难区分直接细胞接触效应和可溶性因子介导效应。2. 为什么BiTE药物评价需要同时看肿瘤杀伤和肝毒性BiTE通过激活T细胞杀伤肿瘤但T细胞活化也可能引发炎症因子释放和正常组织损伤。同步评价肿瘤杀伤、细胞因子释放和肝毒性有助于判断候选分子的安全治疗窗口而不是只看抗肿瘤效应。3. HER2×CD3 BiTE诱导的肝损伤为什么被认为偏向间接机制在HER2×CD3 BiTE处理组中早期可见ALT释放但第7天肝组织中未观察到明显免疫细胞浸润相比之下αCD3/αCD28组可见T细胞直接浸润肝脏并诱导肝细胞凋亡。因此HER2×CD3 BiTE相关肝损伤更符合细胞因子释放介导的间接损伤特征。4. 这类器官芯片模型适合哪些免疫治疗研究这类模型可用于BiTE、TCE、CAR-T、TCR-T、免疫细胞浸润、实体瘤杀伤、细胞因子释放综合征、正常组织毒性、多器官安全性评价和治疗窗口判断等研究。具体实验仍需根据肿瘤模型、正常组织模型、免疫细胞来源和候选药物机制进行优化。扩展阅读1. InSphero联合FDA使用肝脏微球对152种药物进行肝脏毒性评估2. InSphero 3D微球培养板助力实体瘤细胞微球与免疫细胞共培养关于技术来源本文基于InSphero公开资料及相关研究信息曼博生物整理用于科研信息分享、实验参考和免疫治疗药物非临床评价模型开发思路参考。Akura Twin双器官芯片应用涉及3D肿瘤微组织、3D肝脏微组织、PBMC来源、E:T比例、BiTE剂量、细胞因子检测、ALT释放、免疫细胞浸润、Caspase-3凋亡检测和肝毒性机制区分等多项变量实际应用前仍需结合具体实验条件进行验证。本文围绕InSphero Akura Twin微流控器官芯片、3D InSight肝脏微组织、3D InSight Tumor-CAF共培养模型、BiTE/TCE药效评价、CAR-T/TCR-T安全性评价、免疫毒性、肝毒性和CRS机制研究等方向提供产品信息与技术资料支持。本文不作为临床应用建议仅供科研与实验流程参考。
Akura Twin器官芯片用于BiTE药效与肝毒性联合评价：T细胞活化、CRS与安全窗口解析
摘要双特异性T细胞衔接抗体BiTE/TCE和CAR-T、TCR-T等免疫细胞疗法在肿瘤治疗研究中具有重要价值但这类治疗方式在产生抗肿瘤效应的同时也可能引发T细胞过度活化、细胞因子释放综合征CRS和正常组织损伤等安全性问题。本文围绕罗氏创新中心研究者使用InSphero Akura Twin微流控器官芯片开展的HER2×CD3 BiTE研究梳理该平台如何在同一高通量双器官共培养体系中同步评价抗肿瘤药效、免疫细胞浸润、炎症因子释放和肝毒性并进一步区分T细胞直接浸润损伤与CRS介导的间接肝损伤为免疫治疗候选药物非临床安全性评价提供参考。关键词器官芯片、肝毒性、T细胞治疗、免疫毒性、微流控器官芯片、Akura Twin、BiTE疗法、3D微组织、非临床安全性评价、抗肿瘤药效、CAR-T、细胞因子释放综合征、双特异性T细胞衔接抗体、InSpheroBiTE和T细胞疗法为什么需要同时评价药效与安全性双特异性T细胞衔接抗体Bispecific T Cell EngagerBiTE通过一端识别肿瘤相关抗原另一端结合T细胞表面的CD3从而把T细胞定向募集到肿瘤细胞附近并诱导肿瘤杀伤。这类策略在理论上能够增强免疫细胞对肿瘤的识别和清除但它的风险也来自同一个机制T细胞一旦被强烈激活不仅可能杀伤肿瘤细胞也可能引发大量炎症因子释放、正常组织旁观者损伤和系统性免疫毒性。因此在BiTE、TCE、CAR-T和TCR-T等免疫治疗研究中单纯观察“肿瘤有没有被杀伤”是不够的更关键的是要在接近人体相关的模型中同步判断抗肿瘤效应、免疫活化强度和潜在正常组织毒性。传统体外肿瘤细胞杀伤实验通常可以回答候选分子是否具备靶向杀伤能力但难以同时模拟实体瘤微环境、免疫细胞浸润、细胞因子释放以及远端正常组织毒性。动物模型虽然可以提供完整机体环境但人源T细胞、人源肿瘤模型和人源肝脏毒性之间存在物种差异且通量、成本和机制解析能力有限。对于早期候选分子筛选而言如果能够在一个可控的人源3D模型中同时放入肿瘤微组织、肝脏微组织和免疫细胞并通过微流控体系控制两类组织之间的物质交换和细胞通信就更有机会在临床前阶段发现治疗窗口和潜在风险机制。InSphero Akura Twin微流控器官芯片正是围绕这种需求设计。它采用并排双腔共培养结构可以让两个3D微组织在同一芯片中发生可控相互作用同时支持引入免疫细胞适用于器官间串扰、免疫响应、肿瘤杀伤和正常组织安全性评价等研究。罗氏创新中心研究者使用Akura Twin芯片同步评价HER2×CD3 BiTE候选药物的抗肿瘤药效、免疫活化和肝脏安全性为免疫治疗药物早期非临床评价提供了一个具有代表性的应用案例。围绕InSphero Akura Twin、3D微组织和器官芯片模型的相关资料也可参考InSphero相关技术资料页面。图罗氏创新中心制药研究与早期开发部门使用InSphero AG Akura Twin微流控器官芯片开展相关研究。Akura Twin双腔共培养系统的模型逻辑Akura Twin芯片采用并排双腔共培养设计可以在同一芯片中放置两个3D微组织例如肿瘤微组织与肝脏微组织或两个不同器官来源的球体或类器官。与传统Transwell或简单共培养相比这种结构的价值在于它不是把所有细胞直接混在一起而是通过可控的微流控通道和重力驱动灌流系统让可溶性因子、免疫细胞和培养介质在两个组织之间以更可控的方式交换。这样既能保留不同微组织自身结构也能模拟器官间信号串扰和免疫介导的远端效应。图1. Akura Twin共培养系统毒性测试示意图。使用Akura Twin检测细胞因子或诱导免疫反应的药物及细胞治疗方案对同一肿瘤来源组织或不同器官来源健康/疾病组织产生的非靶标效应。从实验平台角度看Akura Twin具有高通量优势单块培养板最多可同时开展192种实验条件并可与可编程重力驱动灌流系统配合使用。研究人员可以选择性地控制相连培养腔之间的可溶性因子和免疫细胞交换并在长期给药、多次换液和高通量成像条件下维持微组织不丢失。SureXchange凸台设计有助于在换液过程中保留微组织通道抗黏附涂层和成像兼容性也有助于后续进行免疫染色、活性检测和形态观察。图2. Akura Twin器官芯片组合示意图。该系统可与InSphero可编程一体式倾斜器配合使用实现多器官串联和具有生理相关性的流体剪切力SureXchange结构可降低长期给药和多次换液过程中微组织丢失风险。实验设计肿瘤-肝脏双组织与PBMC共同构建免疫功能模型该研究的目标是基于Akura Twin芯片同步解析HER2×CD3 BiTE药物的抗肿瘤药效、免疫细胞活化和肝脏安全性。模型设计包含三个关键组成部分。第一部分是InSphero 3D InSight肝脏微组织模型该模型由原代人肝细胞、Kupffer细胞和内皮细胞共同构成可以更接近人源肝脏微环境并用于检测候选药物或免疫反应引发的肝细胞损伤。第二部分是InSphero 3D InSight Tumor-CAF共培养模型用于模拟包含肿瘤细胞和癌相关成纤维细胞的肿瘤微环境。第三部分是非自体来源免疫细胞PBMC以及临床候选HER2×CD3 BiTE药物runimotamabRG6194用于诱导T细胞活化、肿瘤杀伤和可能的免疫相关毒性。图3. 实验设计及模型表征。该体系将3D肿瘤-CAF模型、3D肝脏微组织、PBMC和HER2×CD3 BiTE药物纳入同一高通量双器官芯片环境中。这种设计的核心优势在于可以在同一平台中同时回答多个问题HER2×CD3 BiTE是否能够诱导免疫细胞进入肿瘤组织并杀伤肿瘤细胞T细胞活化是否伴随大量炎症因子释放肝脏微组织是否发生ALT释放或细胞凋亡肝损伤是由免疫细胞直接浸润肝组织造成还是由肿瘤侧免疫活化产生的细胞因子间接介导。相比只做单独肿瘤杀伤实验或单独肝毒性实验这种双器官模型更适合判断药效与毒性之间的关系从而帮助划定候选药物的安全治疗窗口。抗肿瘤药效HER2×CD3 BiTE呈现细胞数量和剂量双重依赖在抗肿瘤药效评价中研究首先向体系加入梯度数量的外周血单个核细胞PBMC并比较αCD3/αCD28处理组、HER2×CD3 BiTE给药组和静息PBMC对照组的表现。结果显示αCD3/αCD28处理组与1 μg/mL HER2×CD3 BiTE给药组均呈现细胞数量依赖性的肿瘤消退效应而仅添加静息PBMC的组别未观察到抗肿瘤作用。这说明在该体系中单纯存在免疫细胞并不足以造成肿瘤杀伤T细胞需要通过广谱激活或BiTE介导的靶向激活才能产生显著抗肿瘤效应。在体系含有5000个PBMC也就是效应细胞与肿瘤细胞E:T比例为1:5的条件下研究进一步给予梯度浓度HER2×CD3 BiTE处理并观察到剂量依赖性肿瘤杀伤效果。这一结果说明Akura Twin模型不仅能观察有无药效还能对候选BiTE分子的剂量效应关系进行比较。对于早期候选药物筛选而言剂量-效应数据非常关键因为它有助于判断低剂量是否已具备足够药效高剂量是否会显著增加免疫活化和毒性风险。图4. HER2×CD3 BiTE以剂量依赖方式诱导肿瘤杀伤。免疫组化结果进一步支持了这一药效机制。在含有5000个PBMC的体系中αCD3/αCD28处理组和1 μg/mL HER2×CD3 BiTE处理组在培养第7天均可观察到CD3⁺、CD8⁺、颗粒酶B阳性免疫细胞大量浸润至肿瘤微球内部并且活化Caspase-3染色证实肿瘤细胞发生死亡。相比之下无PBMC组和仅静息PBMC组均未出现明显免疫细胞浸润也未观察到肿瘤细胞凋亡。这说明HER2×CD3 BiTE并不是通过直接毒杀肿瘤细胞发挥作用而是通过募集并激活T细胞实现靶向免疫杀伤。图5. HER2×CD3 BiTE杀伤肿瘤的免疫组化染色结果图。CD3⁺、CD8⁺和颗粒酶B阳性免疫细胞浸润肿瘤微球并伴随活化Caspase-3阳性细胞死亡信号。免疫活化体外复现T细胞激活介导的炎症因子释放BiTE类药物的关键安全性风险之一是T细胞被激活后释放大量炎症因子并可能引发细胞因子释放综合征CRS相关反应。在该研究中体系内加入5000个PBMC并以10 μg/mL HER2×CD3 BiTE处理后可观察到杀伤性T细胞相关炎症细胞因子大量分泌。这说明Akura Twin模型不仅可以观察肿瘤微组织是否被杀伤也能监测免疫活化后的可溶性因子变化从而把药效和免疫毒性放在同一体系中评价。图6. HER2×CD3双特异性衔接器诱导炎症细胞因子释放。对于BiTE、TCE、CAR-T和TCR-T等免疫治疗研究来说细胞因子数据具有重要解释价值。如果一个候选药物在较低剂量下即可产生明显肿瘤杀伤但炎症因子释放相对有限说明其安全窗口可能更理想如果抗肿瘤效应需要依赖较高剂量同时伴随强烈细胞因子释放就需要进一步关注临床转化中的免疫毒性风险。因此在同一模型中同步获得肿瘤消退、免疫细胞浸润、细胞因子释放和肝脏损伤数据有助于更系统地判断候选分子的开发价值。肝毒性评价ALT释放提示急性肝损伤具有时间和剂量特征肝脏是药物安全性评价中非常重要的器官之一而免疫治疗药物引起的肝损伤可能来自不同机制。第一种机制是免疫细胞直接进入肝组织并造成肝细胞损伤第二种机制是T细胞活化后产生大量细胞因子进而间接诱导肝细胞应激或损伤。Akura Twin双器官模型的优势在于可以在同一体系中通过组织空间位置、免疫浸润和肝损伤标志物变化对这两类机制进行区分。研究显示当体系中分别加入αCD3/αCD28或1 μg/mL HER2×CD3 BiTE并搭配梯度数量PBMC共同培养时培养第3天出现细胞数量依赖性的丙氨酸氨基转移酶ALT急性释放但培养至第7天未再观察到该现象。这说明PBMC数量越高早期急性肝损伤信号越明显但该损伤具有一定时间窗口并非持续累积到第7天。图7. 梯度PBMC诱导急性肝损伤。第3天ALT释放呈细胞数量依赖性第7天毒性消退。在进一步剂量实验中体系内加入5000个PBMC并给予梯度浓度HER2×CD3 BiTE处理以第3天上清ALT释放量作为肝损伤评价指标可以观察到剂量依赖性急性肝损伤而该肝损伤效应在第7天已经无法检出。这一结果提示HER2×CD3 BiTE介导的肝损伤可能与早期强免疫活化和炎症因子释放有关而不是持续性肝组织破坏。图8. 梯度HER2×CD3 BiTE诱导急性肝损伤。第3天ALT释放呈剂量依赖性第7天损伤缓解。机制区分直接T细胞浸润损伤与CRS介导间接肝损伤肝脏免疫组化结果进一步揭示了两类肝损伤机制之间的差异。在含有5000个PBMC的体系中αCD3/αCD28广谱T细胞激活组在培养第7天可见大量CD3⁺、CD8⁺和颗粒酶B阳性免疫细胞浸润肝脏微球同时活化Caspase-3染色显示肝细胞凋亡。这说明广谱T细胞激活可以导致免疫细胞直接进入肝脏组织并诱导肝细胞死亡属于直接免疫细胞浸润相关损伤。相比之下HER2×CD3 BiTE处理组未见免疫细胞向肝脏组织明显浸润但仍可在早期观察到ALT释放。这提示该BiTE引发的肝损伤更可能来自CRS相关间接机制即T细胞在肿瘤侧被激活后释放炎症细胞因子随后这些可溶性因子通过器官间串扰影响肝脏微组织。这种机制区分非常重要因为不同毒性机制对应不同优化策略。如果损伤主要来自直接肝组织浸润可能需要关注靶抗原表达、T细胞分布和组织选择性如果损伤主要来自细胞因子间接效应则需要关注剂量、T细胞活化强度、细胞因子释放谱和给药策略。图9. 肝脏组织免疫组化。广谱T细胞激活剂可诱导T细胞直接浸润肝脏并造成肝细胞凋亡而HER2×CD3 BiTE处理组更符合细胞因子介导的间接肝损伤特征。研究结论双器官芯片帮助更准确划定治疗窗口综合肿瘤杀伤、T细胞浸润、炎症因子释放、ALT释放和肝组织免疫染色结果Akura Twin双器官芯片能够在同一体系中同步评价BiTE药物的药效和安全性并帮助区分直接免疫细胞浸润损伤与CRS介导间接肝毒性。对于HER2×CD3 BiTE这类药物来说理想候选分子不仅需要在较低剂量下诱导足够肿瘤杀伤还需要尽可能降低系统性免疫活化和正常组织毒性风险。双器官共培养模型可以将这些维度放在同一实验框架中比较从而更准确地界定候选药物治疗窗口。对于BiTE、TCE、CAR-T和TCR-T等免疫治疗开发项目而言类似模型可以作为传统二维肿瘤杀伤实验和动物实验之间的补充工具。它能够在体外重建人源3D肿瘤微环境、人源肝脏微组织和免疫细胞之间的动态相互作用并在较高通量下比较不同剂量、不同E:T比例和不同候选分子的药效与安全性差异。实际应用中仍需结合药物靶点、组织表达背景、免疫细胞来源、细胞因子检测面板和下游验证方式进行实验设计。FAQ1. Akura Twin与普通共培养模型的区别是什么Akura Twin采用并排双腔微流控共培养设计可以在同一体系中放置两个3D微组织并通过可控流体交换和免疫细胞引入模拟器官间串扰。普通共培养模型往往难以同时保留两个组织的空间结构也较难区分直接细胞接触效应和可溶性因子介导效应。2. 为什么BiTE药物评价需要同时看肿瘤杀伤和肝毒性BiTE通过激活T细胞杀伤肿瘤但T细胞活化也可能引发炎症因子释放和正常组织损伤。同步评价肿瘤杀伤、细胞因子释放和肝毒性有助于判断候选分子的安全治疗窗口而不是只看抗肿瘤效应。3. HER2×CD3 BiTE诱导的肝损伤为什么被认为偏向间接机制在HER2×CD3 BiTE处理组中早期可见ALT释放但第7天肝组织中未观察到明显免疫细胞浸润相比之下αCD3/αCD28组可见T细胞直接浸润肝脏并诱导肝细胞凋亡。因此HER2×CD3 BiTE相关肝损伤更符合细胞因子释放介导的间接损伤特征。4. 这类器官芯片模型适合哪些免疫治疗研究这类模型可用于BiTE、TCE、CAR-T、TCR-T、免疫细胞浸润、实体瘤杀伤、细胞因子释放综合征、正常组织毒性、多器官安全性评价和治疗窗口判断等研究。具体实验仍需根据肿瘤模型、正常组织模型、免疫细胞来源和候选药物机制进行优化。扩展阅读1. InSphero联合FDA使用肝脏微球对152种药物进行肝脏毒性评估2. InSphero 3D微球培养板助力实体瘤细胞微球与免疫细胞共培养关于技术来源本文基于InSphero公开资料及相关研究信息曼博生物整理用于科研信息分享、实验参考和免疫治疗药物非临床评价模型开发思路参考。Akura Twin双器官芯片应用涉及3D肿瘤微组织、3D肝脏微组织、PBMC来源、E:T比例、BiTE剂量、细胞因子检测、ALT释放、免疫细胞浸润、Caspase-3凋亡检测和肝毒性机制区分等多项变量实际应用前仍需结合具体实验条件进行验证。本文围绕InSphero Akura Twin微流控器官芯片、3D InSight肝脏微组织、3D InSight Tumor-CAF共培养模型、BiTE/TCE药效评价、CAR-T/TCR-T安全性评价、免疫毒性、肝毒性和CRS机制研究等方向提供产品信息与技术资料支持。本文不作为临床应用建议仅供科研与实验流程参考。
