人类心肌微组织芯片的3D打印构建及在药物检测中的应用研究

Heart is the most important organ to sustains human life, while drug-induced cardiotoxicity has been one of the bottlenecks in new drug development. Tissue/organ-on-a-chip is becoming one of the most important tools for medical research, drug development and drug toxicity testing, owing to its ability to simulate the physiological functions of complex tissues and organs in vitro..This project integrates stem cell tissue engineering, bio-3D printing and other advantaged technology, taking cardiomyocytes, vascular endothelial cells and smooth muscle cells which differentiated from the human pluripotent stem cells as the basic unit, developing the multi-functional new biological ink which has biocompatibility, conductivity and printability as a matrix materials, using bio-3D printing technique, to constructed the human cardiac micro-tissue and 3D tissue chip, and to actualize dynamic culture and evaluation in vitro, and to applied it in drug testing. The key scientific problems that will be evaluated are: the effects of three-dimensional micro-environment in the 3D printed tissue chip on the histological characteristics, gene expression and physiological function of the human cardiac micro-tissue, the effects of drugs on the functional indexes of the 3D human cardiac micro-tissue, and to carry out quantitative analysis and evaluation..This study will provide a new technology and platform for solving bottlenecks in drug development and evaluation, and will lay the foundation for future applications in personalized healthcare, major disease pathogenesis research, high-throughput drug screening and new drug development.

心脏是维持生命活动的重要器官，药物的心脏毒性是新药研发的瓶颈之一。由于能在体外高度模拟复杂组织器官的生理功能，组织/器官芯片正成为医学基础研究、新药研发和药物检测的重要工具之一。.本项目集成干细胞组织工程、生物3D打印等领域的优势技术，以人类多能干细胞分化的心肌细胞、血管内皮细胞和平滑肌细胞为基本单元，以具有生物活性、可导电性及可打印性的多功能新型生物墨水为基质材料，以生物3D打印为技术手段，构建人类心肌微组织及组织芯片，实现体外动态培养和检测，并进行药物检测的应用研究。项目重点研究基于3D打印构建的三维微环境对于所构建人类心肌微组织的组织学特性、基因表达与生理功能的影响，研究药物对三维人类心肌微组织各项功能指标的影响，并进行量化分析与评价。.本研究将为解决药物研发及评价中的瓶颈问题提供新的技术和平台，为未来应用于个性化医疗、重大疾病发病机制研究、高通量药物筛选与新药研发等领域奠定基础。

心脏是人体循环系统的动力器官，是维持人体生命活动的重要器官。在药物研发和临床应用过程中，药物心脏毒性问题得到越来越广泛的关注。体外构建可用于药物研发及药物毒性检测的类心肌组织模型仍面临诸多挑战。基于干细胞组织工程和生物 3D 打印的科学发展前沿，本项目提出以人类多能干细胞分化的心肌细胞、血管内皮细胞和平滑肌细胞为基本单元，以具有生物活性、可导电性及可打印性的多功能新型生物墨水为基质材料，以生物 3D 打印为技术手段，构建人类心肌微组织及组织芯片，实现体外动态培养和检测，并进行药物检测的应用研究的技术路线。.本项目主要结果包括：1）构建了人类心血管前体细胞报告细胞系MESP1-mTomato, 提高了分化心肌、血管内皮、平滑肌细胞的效率，揭示了心肌体外分化新的调控机制；2）开发了一套高效诱导人多能干细胞向血管细胞(内皮细胞和平滑肌细胞)分化的AATS系统，揭示了省略胰岛素促进血管细胞产生的新机制；3）开发了新型双网络交联导电性生物墨水，并对其分散性能、可打印成形性能、导电性能及细胞相容性进行了研究和优化；4）开发了含三层细胞结构的血管化类心肌组织制造工艺；5）开发了在线图像处理和压电传感集成的心肌芯片在线监测系统；6）建立了肾上腺素和青霉素等药物作用下的心肌组织收缩评价体系。.本项目研究成果丰富了治疗心脏疾病的细胞来源，为实现体外大量获得血管细胞提供了新的方法，为类心肌组织模型的体外构建提供了新型生物墨水体系和技术方案，所构建的心肌芯片为实现可靠的中高通量药物筛选奠定技术和平台基础，为推动心肌芯片技术在个性化医疗及药物筛选领域的应用提供了可能的解决方案。