基于微流控芯片的细胞间药物转运与化学信号传递研究

Cell-based drug metabolism is a perfect way for rapid and low-cost drug discovery. Conventional dish or bioassays just permits only one metabolic bioactivity depending on one singular cells, which can not simulate drug synergism like that of living tissues and organs. This project will employ microfluidic devices for cell co-culture and integrated simulation of intestinal absorption, target cell's bioactivity, and hepatic metabolism. For different drugs, different target cells and functional models are selected. The structural and mechanical models are composed of human colon cancer cells Caco-2 for intestinal absorption, human hepatocellular carcinoma cells HepG2 for hepatic metabolism, and target cells for bioactivity. Based on the fluorescent detection and high resolution mass spectrometry' identification, the processes of absorption, transport and release of drug and its metabolites will be monitored. Furthermore, the catalysis and inhibition of receptor protein and enzyme will be evaluated, and the released cytokines will be examined. The intercellular drug transfer and chemical signal transformation at molecular level will be qualitatively and semi-quantitatively monitored.

细胞药物代谢研究是进行快速、低成本药物筛选的理想途径。常用的培养皿或微孔板式单一细胞药物代谢研究不能模拟生物体内多种组织和器官协同作用的药物代谢过程。本项目拟利用微流控芯片技术，进行细胞的共培养，模拟不同药物的肠细胞吸收、靶细胞作用和肝细胞代谢协同作用。分别以人体结肠癌Caco-2 细胞群来模拟小肠对药物吸收，以HepG2 肝癌细胞群模拟肝脏对药物的代谢，根据不同的药物选择相应的作用靶细胞，从而组建不同的代谢模拟体。利用荧光和高分辨质谱为检测手段，监测药物及其代谢物的吸收、转运和释放，考察药物受体蛋白和酶的促进或抑制作用，以及释放的细胞因子。从分子水平上研究细胞间的药物转运和化学信号传递，实现定性和半定量分析。

项目在微流控芯片细胞共培养-抗肿瘤药物细胞代谢与转运体外模拟，细胞分泌微量蛋白、细胞提取RNA和mRNA的快速芯片电泳检测，纳米材料的细胞毒性研究，细胞膜脂质和细胞内微量组分的MALDI质谱检测等方面取得了系列研究成果：1）在芯片上通过微通道表面张力阀、多孔膜分隔方式和凝胶材料，成功实现了微流控芯片上两种细胞或三种细胞的二维或三维共培养，建立了具有药物吸收、代谢和转运功效的体外模拟体系，分别是前体药物卡培他滨的肝细胞代谢-乳腺癌细胞靶标模拟代谢体系、前体药物伊立替康的肠细胞吸收-肝细胞代谢-恶性胶质瘤细胞靶标模拟代谢体系以及人胚肾细胞-肝细胞的激素调节糖代谢模拟体系，利用荧光成像、质谱检测等方法研究药物的细胞吸收和代谢、在细胞间的转运和对靶细胞的杀伤性。2）提出了基于适配体标记的细胞分泌微量蛋白的快速Chip-CE检测方法，并建立了与慢性粒细胞白血病和HPV等疾病相关的细胞提取DNA和mRNA的快速PCR/Chip-CE分析方法，该方面成果具有很好的临床诊断应用前景。 3）研究了纳米材料对细胞的毒性，发现CdTe细胞分析表明量子点对处于不同生长周期的细胞的毒性存在差异性，而ZnO纳米线表面的电荷性影响纳米对细胞的毒性。 4）发展了MALDI质谱细胞原位检测方法，实现了细胞膜上多种脂质的原位分析，并研制了Au-Ag多孔硅纳米材料MALDI靶板可实现细胞含巯基化合物如谷胱甘肽的特异性富集和MS检测。项目很好的完成了研究任务，达到预期目标。已发表项目号标注论文23篇，其中22篇发表在Analytical Chemistry, Biosensors and Bioelectronics, small, RSC Advances 等SCI期刊上，影响因子5.0以上的有6篇。申请国家发明专利4项。