微流控技术肺气血屏障仿生构建与大气细颗粒物毒性评价新体系、新方法

Air pollution, especially the fine particulate matter in the atmosphere has raised great health concern, in order to study its biological effects and evaluate toxicity, building a human pulmonary air-blood barrier model in vitro become a great challenge. In this project, we intend to use microfluidic technology as the key role and microfluidic device as the key platform to build this kind of organ model on microchip with various conditions by using human alveolar epithelial cell, pulmonary vascular endothelial cells, extracellular matrix, etc. The organ model on microchip, which is more close to the physiological environment conditions, will intensely be use to investigated and characterized cell-cell, cell-matrix interaction precisely, with the control of fluidic and cells. It makes itself become a new platform not only to evaluate biological effects and toxicological mechanisms of lung injury causing by the fine particulate matter in the atmosphere, but also to promote research on health risk assessment of air pollution and related drug development.

建立大气细颗粒物毒理与健康效应评估新体系、新方法是大气污染健康危害研究面临的重要挑战和瓶颈问题。本项目拟以极具发展潜力的微流控芯片为核心技术，以构成肺气血屏障的肺泡上皮细胞、肺血管内皮细胞、气液界面、细胞基质和流体因素等核心要素为对象，充分利用微流控技术细胞操控与微尺度流体精确操控等特点，特色性地构建具有多层次、多组分和多条件时空分辨特点，可模拟接近体内环境的肺气血屏障研究新体系、新方法，并用于大气细颗粒物诱发肺气血屏障损伤和毒性评价，为大气细颗粒物生物学效应和毒理学机制研究提供一种新的技术平台，也为大气污染健康风险评估及治疗干预提供一种全新思路。

项目以微流控技术为核心，特色性建立了一种动态三维仿生肺芯片构建新体系、新方法，并初步用于环境污染物暴露肺毒性评价。该模型包含人肺上皮细胞、血管内皮细胞、3D基质和流体等因素，可更好地反映人体肺气血屏障的主要结构和功能特点。研究显示，高浓度纳米颗粒和大气细颗粒物可导致肺气血屏障和功能损伤，包括细胞凋亡增加、紧密连接蛋白减少、屏障渗透性升高以及单核巨噬细胞粘附增多，细胞氧化应激、炎症反应可能参与颗粒物诱导的肺损伤过程。该方法克服了传统细胞和动物模型的局限，在毒性预测、疾病研究及药物研发领域具有重要应用价值。在此基础上，以人多能干细胞为来源，构建了胎盘屏障及类脑器官研究模型，并将其应用于纳米颗粒毒性评价、孕期安全性评估和妊娠早期脑发育等环境污染研究。项目突破性解决了可用于大气细颗粒物诱发肺损伤、脑发育等不健康危害评价的方法学瓶颈问题，为大气细颗粒物的生物效应及毒理学机制研究提供了一种全新的技术平台和系统性研究体系。. 项目实施以来，进展顺利，取得了一系列有显示度的研究成果，整个项目组完成 10篇高质量研究论文，全部为SCI 文章，申请技术发明专利14项；培养博士研究生2名。主持召开国际会议1 次，项目负责人秦建华研究员受邀做国际会议大会特邀报告14次，项目组成员做国际会议大会特邀报告1次，会议墙报汇报3次，并获得2018年The 1st International High-Level Symposium on Toxicology and Health of Air Pollution (THAP)国际会议最佳Poster奖。完成了任务书中所述及的全部目标。