微图案纤维-微流控构建功能性肝组织用于纳米颗粒肝毒性的研究

With the wide application of nanoparticles in the fields of food, materials, environment and life, the safety of nanoparticles to organisms has been paid more and more attention. Liver is the main organ for the xenobiotics metabolism, and also the main target organ of nanoparticles. Therefore, it is necessary to study the liver injury induced by nanoparticles. In recent years, a variety of in vitro liver models have been widely studied, but all of them have the disadvantage that the primary hepatocytes will be inactivated in vitro and their function cannot be maintained for a long time, which restricts the development of the research on nanoparticles hepatotoxicity. The project uses growth factor-carried fibrous mats to realize the patterned co-culture of liver, fibroblasts and endothelial cells, and constructs a three-dimensional functional liver tissue in vitro with microfluidic technology, which simulates both the bionic components and structure of liver tissue, and the microenvironment for the in vivo tissue growth. The representative hepatotoxicity effect of nanoparticles is studied through the functional liver tissue system, the relevant conclusions obtained by in vitro model are verified by animal experiments, and the hepatotoxicity mechanism of nanoparticles is analyzed from the level of organ, tissue, cell and molecule, all of these mention above have provided a scientific basis for the reasonable development and safe application of nanoparticles.

随着纳米颗粒在食品、材料、环境和生命等领域的广泛应用，纳米颗粒对生物体的安全性逐渐受到重视。肝脏作为外源物质代谢的主要器官，也是纳米颗粒主要的靶器官。因此，研究纳米颗粒对肝脏的损伤是非常必要的。近年来，各种体外肝模型研究广泛，但都存在原代肝细胞离体后易失活和不能长期保持其功能的缺点，制约了纳米颗粒肝毒性研究的发展。本项目利用载生长因子的纤维支架实现肝、成纤维和内皮细胞图案化共培养，并结合微流控技术体外构建了三维功能性肝组织，既仿生了肝组织的组成和结构，又模拟了体内组织生长所需的微环境。利用构建的功能性肝组织系统研究了代表性的纳米颗粒肝毒性作用，并用动物实验验证体外模型得到的相关结论，从器官、组织、细胞和分子水平分析纳米颗粒肝毒性作用机制，为纳米颗粒的合理开发与安全应用提供了科学依据。

随着纳米颗粒在食品、材料、环境和生命等领域的广泛应用，纳米颗粒对生物体的安全性逐渐受到重视。由于纳米颗粒的特性（如尺寸、重量、极性、电荷、浓度、溶解性等），在受到扩散介质的属性（如结晶度、粘度、密度、分子量、极性、共聚物和其它添加剂等）以及外界因素（如温度、湿度、压力等）影响下，纳米级颗粒进入体内后可穿过细胞屏障，引起氧自由基产生增加而氧化毒害细胞。肝脏作为外源物质代谢的主要器官，也是纳米颗粒主要的靶器官。因此，研究纳米颗粒对肝脏的损伤是非常必要的。本项目利用体外和体内实验系统对纳米颗粒的安全性进行评价。首先，利用微图案纤维-微流控实现肝、成纤维和内皮细胞图案化共培养，并结合微流控技术体外构建了三维功能性肝组织，既仿生了肝组织的组成和结构，又模拟了体内组织生长所需的微环境。其次，考察体外构建的功能性肝组织在动态和静态环境下，纳米颗粒的种类、参数特征、作用浓度、时间等因素对肝毒性的影响。最后，对大鼠进行灌胃实验，研究纳米颗粒的作用浓度、时间等特性对大鼠的影响，并从整体动物，组织，细胞，蛋白，分子等水平阐述纳米颗粒作用机制，建立起体内外纳米颗粒安全性评价的模型。除此此外，将本项目的研究成果结合静电纺丝和3D打印技术，将其拓展到食品等应用领域，发现其具有很好的研究意义和研究价值，如将金属的纳米颗粒用于有机染料的吸附处理和气体防护等，将食品级纳米颗粒用于食品包装或安全检测的研究等，为指导纳米颗粒的安全使用提供理论基础。