基于微流控与水凝胶纤维技术的肾小球微器官芯片模型的构建与应用

The organoids or mini organs technology became one of superstars recently owing to its magnificent prospects in disease research and drug screening, elected as one of the Ten Major Advance of Science and Technologies in 2013 by Science and elected as "Annual Method" in life science in 2017 by Nature Method. But up to now, there has been few report on the three-dimensional glomeruli model. Therefore this proposal is to invent a chip model of perfusable glomeruli organoid (Mini glomerular on a chip) with 3D topological structure by innovating and integrating multi-technologies such as hydrogel materials, microfluidics-based generating knotted hollow hydrogel fiber, and 3D cell culture. The microfluidic manipulation system for glomerular perfusion, fluorescence imaging system for cell functional morphological analysis and chip- mass spectrometry interface for on-line detection of cell metabolome and target molecules through glomerular filtration will be constructed. The organoids chip system can be applied for the study of glomerular filtrure function and damage mechanism, as well as for pharmaceutical analysis, e.g. drug nephrotoxicity assay or drug screening for prevention and treatment of kidney disease. The research results are expected to lay the foundation for the study of the pathogenesis of diabetic nephropathy, hypertensive nephropathy and the establishment of a new model for the screening of renal function related drugs.

类器官和微器官模型因其在疾病研究与药物筛选中广阔的应用前景成为近年来的“明星”技术，曾入选《science》2013年度十大科学进展、《Nature Method》2017年度生命科学领域最有潜力的“年度技术”。但迄今为止具有肾小球三维拓扑结构的微器官芯片模型尚未见报道。本项目针对肾小球三维组织结构特征，整合新型水凝胶材料技术、微流控生成中空通道的结节状水凝胶纤维及形貌控制技术、三维细胞培养技术，创新性的提出了具有三维拓扑结构且可稳定灌流的肾小球微器官芯片模型，并搭建配套的稳定可控的肾小球芯片灌流系统、细胞功能形态学分析的荧光成像系统及靶标物分子在线检测的芯片质谱联用分析平台，将该系统应用于探究肾小球的选择性滤过功能的影响因素及其损伤机制，进而用于药物肾毒性评价和肾病防治药物的活性筛选等药物分析应用。该项目的研究需要解决内皮细胞管状结构（微血管）的生成、球状表面凸起形貌的生成及足细胞的粘附、血液灌流及不同类细胞的长期共培养等多项关键技术问题，重点考察肾小球模型的屏障功能（尿液生成）及机制。研究成果可望为糖尿病肾病、高血压肾病以及相关药物肾功能活性评价的新模型构建奠定基础。

类器官/器官芯片模型因其在疾病研究与药物筛选中广阔的应用前景而被视作近年来的“明星”技术和可能对新药研发和精准医疗产生革命性影响的颠覆性技术之一。本项目创立了具有三维拓扑结构且可长期灌流的肾小球类器官模型并实现芯片化。通过整合水凝胶材料技术、中空血管通道结节状水凝胶纤维生成及形貌控制技术、三维细胞排布与3D共培养等多种技术，并搭建配套的稳定可控的肾小球灌流微流控平台，实现了三维肾小球生理/病理模型的构建，并示范性应用于肾脏疾病研究及药物分析。项目研究成果可望为糖尿病肾病、高血压肾病等发病机制的研究以及肾功能相关药物筛选新模型的创立奠定基础，项目成果正在向标准转化、向仪器装备和产业化转化的过程。本项目已在国际期刊上发表SCI研究论文33篇，其中IF>10的期刊论文超过20篇；申请发明专利 5项，其中已有4 项获得授权（见附件成果目录）。本项目发展的核心技术——应用于管型仿生器官结构制备的微流控纺丝技术应Nature Protocols邀请发表了方法范本，得到广泛引用、正面评述及跟踪应用研究，在国际上产生了重要影响，项目负责人多次应邀在国际和全国性学术会议上作大会报告或邀请报告。依托项目培养毕业博士生5名，硕士生1名，博士后4名，其中1人入选中国博新计划，2人入选北京市科协青年人才托举计划。项目负责人在项目执行期间（2020年度）入选教育部长江学者特聘教授。