基于微流控芯片技术仿生牙周病模型的构建及微环境-细胞-药物相互作用研究

Periodontal diseases are infections of the periodontal tissues that are affected by both the periodontal microenvironment and the host immunity. It is also a risk factor for systemic diseases. The key areas currently under active research include the prevention of the development and progression of periodontal diseases, the prevention of systemic infections, and the regeneration of periodontal tissues. Our study aims at developing modularized, integrated biomimetic chips for periodontal models to facilitate the research on the mechanism of periodontal diseases, especially the effect of the microenvironment, and on drug screening and optimization. Extending the previous research of the authors on organ microfluidic chip technology, in this study a biomimetic model was developed with multiple modules including a periodontal soft tissue module for high-throughput analysis of the effects of inflammatory mediators in dynamic media on gingival cell biological activities, and a periodontal hard tissue module for analysis of the effects of the microenvironment on the molecular mechanism of bone resorption and bone remodeling. Through the optimization of individual modules and the integration of multiple modules, our model simulates the interactions among the microenvironment, cells and drugs, mediated by the periodontal gingival crevicular fluid. It also models the anatomical structures on the periodontal biomimetic chip and simulates the functions of tissue, cells as well as the microenvironment, therefore providing a microfluidic-chip-technology-based platform for the drug screening for periodontal diseases. Our biomimetic model holds potential in becoming a widely applicable assessment platform for periodontal disease treatments and periodontal tissue repair and regeneration research that is able to simulate various animal models.

牙周病是牙周微环境与宿主免疫共同参与的牙周组织感染性疾病，也是全身系统性疾病的危险因素，预防牙周病发生发展及远隔器官感染、实现牙周组织再生是目前研究重点。本项目针对微环境对牙周病影响机制及药物筛选和优化的“高仿生”牙周模型的需求，以器官微流控芯片技术为平台，利用申请人前期研究基础，构建模块化、集成式的牙周仿生芯片模型。建立牙周软组织模块，高通量分析动态介质中炎症因子对牙龈组织细胞生物学活性的影响；建立牙周硬组织模块，探讨微环境对骨吸收和骨改建作用的分子机制；通过单模块优化和多模块整合，建立以牙周龈沟液为介质的微环境-细胞-药物的相互作用关系，实现牙周仿生芯片解剖结构的模拟化、组织细胞的功能化和牙周微环境的仿生化，为牙周病药物及剂型的筛选提供微流控芯片实验数据，有望成为可普遍应用、能够模拟实验动物的，有利于提高牙周病引导组织再生修复疗效检测的评估平台。

本研究利用微流控技术分别采用以多孔膜为基础的“三明治”结构和以U型为主的凹槽结构构建了能够模拟牙周软硬组织解剖结构和生理功能的多种微流控器官芯片平台。进一步将其应用于牙周炎病理机制、药物反应和材料评价等研究领域，显示了微流控芯片技术与生物医学的交叉融合。主要研究内容有：1）利用人牙龈上皮细胞（HGE）和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）构建了具有高细胞活力和屏障功能的包含牙龈上皮-毛细血管界面的牙周软组织芯片，并添加牙周关键毒力因子脂多糖（LPS）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α），以及NF-κB 活化抑制剂 PDTC，在体外对人牙周软组织炎症和药物反应进行分析。该模型可以验证PDTC可以缓解LPS和TNF-α作用后细胞间黏附分子 1 （ICAM-1）和人防御素 2（HBD2）的表达增加。2）利用人骨髓间充质干细胞（hBMEC）和HUVEC构建立了具有选择透过性血管屏障和成熟成骨细胞功能的骨-毛细血管界面芯片用于模拟牙槽骨生理微环境，并通过添加TNF-α构建牙周炎骨组织模型，发现芯片中死细胞数目增加，血管内皮功能障碍和骨组织相关蛋白分泌降低。3）利用hBMEC和HUVEC，设计并制作了一种具有高通量低消耗特点的骨组织细胞球微流控器官芯片，并应用该芯片平台进行了矿化胶原（MC）促成骨及成血管效果的评价，发现矿化胶原组相关成骨标志物表达量均高于对照组，但血管生成标志物与对照组相比无明显区别，说明矿化胶原有良好的促成骨效果，但无明显的促进血管生成的作用。本项目所构建的一系列牙周软硬组织仿生研究模型，为牙周炎机制研究、药物评价及再生材料评价提供了一种全新的技术平台及系统性研究体系，也为研究可控的生物化学和生物物理微环境下的复杂现象提供新的研究方法和思路。