基于微流控芯片与纳米生物传感器功能集成的抗糖尿病药物高通量筛选方法的研究

Drug screening is a necessary step in the development of new anti-diabetic drugs. High-throughput screening is important for improving the drug screening efficiency and reducing cost consumption, due to its feature of fast measurement，trace consumption, and large scale. However, the current high-throughput screening method is lack of realization in fast measurement，trace consumption, specificity and so on. The interdisciplinary research integrating microfluidic chip and nanobiosensors provides a good way to solve the problem. This project aims to the high-throughput screening of the compounds impacting the insulin secretion of human beta cell， via the insulin detection by the nanobiosensor integrated into the microfluidic chip. The project will mainly study the following content: the microfluidic chip will build the modules including automatic mixing zone and array detection zone, in order to realize the process of the insulin detection by the nanobiosensor in large scale and trace consumption; the experimental condition of insulin detection by the nanobiosensor based aptamer and grapheme oxide will be optimized in order to detect the insulin rapidly, sensitively and specifically. The project contributes to the anti-diabetes drug screening and will promote the new technologies including microfluidic chips and biosensors to apply in detecting biological effector molecule for drug screening. The project will have important practical significance for drug discovery.

药物筛选是新型抗糖尿病药物研发的必要步骤，以快速、微量、大规模为主要特征的高通量筛选，对药物筛选的效率提高和成本降低具有重要意义。然而，目前的高通量筛选方法在微量化、快速化、特异性等方面实现程度不足。微流控芯片与纳米生物传感器的交叉性研究提供了问题解决的良好途径。本项目将纳米生物传感器检测胰岛素的功能集成到微流控芯片上实现，通过测定化合物作用于胰岛β细胞后胰岛素分泌量的变化，完成促胰岛素分泌活性化合物的高通量筛选。重点研究微流控芯片构建自动混合、阵列检测等功能模块，以微量、大规模地实现纳米生物传感器的检测过程；优化基于氧化石墨烯与核酸适配体的纳米生物传感器在微流控芯片上的检测条件，以快速、灵敏、特异地实现胰岛素的检测。本项目有助于抗糖尿病药物的筛选，能够促进微流控芯片、纳米生物传感等技术在药物筛选生物效应分子检测中的应用，有利于建立药物高通量筛选通用平台，对加快新药研发具有重要的现实意义。

药物筛选是新型抗糖尿病药物研发的必要步骤，本项目将纳米生物传感器检测功能集成到微流控芯片上实现；通过测定化合物作用于糖尿病相关细胞模型后生理指标的变化，完成抗糖尿病活性化合物的高通量筛选。建立了多层三维精细结构光胶芯片的制作工艺，研究了芯片制作过程中镀铬载体、接触式光刻、复印式曝光、压力紫外联合键合等多项关键技术，保证了多层三维精细结构的成功构建，并实现了芯片加工制作的高效性和高成品率。芯片构建了进样、混合、检测、出样等不同功能区，其中在混合区设计制作了被动式Zigzag与Chaotic耦合微混合器，实现微流控芯片样品试剂的自动混合。芯片面积微小，并设有多个平行单元，能够完成多组样品的同时检测。研究了基于微流控芯片的纳米生物传感器构建过程中氧化石墨烯浓度与分子探针荧光猝灭效率的相关性和最优组成。实验结果表明纳米生物传感器在微流控芯片平行单元上实现了样品的高通量、特异性测定。筛选得到的化合物WS6不仅能够促进胰岛细胞增殖，而且可能通过瞬时受体电位离子通道TRPV4治疗胰岛素抵抗，通过电生理全细胞膜片钳技术对活性分子进行活性确认和选择性的评价。结果表明化合物WS6对TRPV4通道有明显的抑制作用，IC50为26.87±3.18μM；进一步的研究表明WS6也能够显著抑制小梁网细胞肌动蛋白的形成，这或有助于在降低高血糖的同时也能治疗糖尿病并发症青光眼。筛选得到的化合物U73122能够通过激动胰岛β细胞上的瞬时受体电位离子通道TRPM4，从而促进胰岛β细胞动作电位的发放，促进胰岛素分泌活性。化合物9-菲酚能够抑制胰岛β细胞TRPM4通道，减少动作电位的发放，抑制胰岛素分泌。结果表明胰岛β细胞上的TRPM4通道对胰岛素分泌过程的动作电位发放有所影响，可能成为促进胰岛素分泌治疗糖尿病的新靶点。本项目方法学的建立、活性化合物及新靶点的发现，有助于抗糖尿病药物的新药研发。