应用多器官微流控芯片系统对致癌细颗粒物体内代谢机制的模拟研究

Air pollution in China has become more and more serious. The metabolic and carcinogenic mechanisms of inhalable PM2.5 carcinogenesis is the key and difficult point in the current environmental health research. The Multi-Organ Chip - A microfluidic platform which hosts the human lung (air-liquid interface), skin (air-liquid interface), liver and the Kidney on chip modules are combined with metabolomics and iTRAQ proteomics technology to analyze the distribution, metabolic pathways and the signal transduction of Carcinogenic PM2.5, and to determine the tumor biomarker. Based on the above bioanalysis, source apportionment and component analysis of PM2.5, a correlation data analysis model will be established which contains three variables (source apportionment, component analysis and tumor biomarker). The inhibitor will be screened and used to regulate the cancer related signal transductions induced by PM2.5 to study the damage repair mechanism. The designed MOC in this research will break through the limitation of 2D cell culture and animal testing, mimicking a variety of microenvironment of cell, tissue and organ, reflecting the functional characteristics and physiological interaction of them. This MOC system is high throughput, low cost and not involved in the ethical arguments. It provides basic data and reliable technology platform for the prevention and treatment strategies of air pollution and human health and related diseases.

我国大气污染问题日益严重，吸入性致癌物PM2.5的体内代谢和致癌机制是当前环境健康研究的重点和难点。本研究拟应用集成皮肤、肺、肝和肾四种人体器官的多器官微流控芯片MOC平台，模拟气液暴露环境，结合代谢组和iTRAQ蛋白质组学联合分析技术，深入分析PM2.5在各器官的分布和代谢途径及其启动的致癌信号转导通路，确定肿瘤标志物。基于以上生物分析及PM2.5源解析和多重组分化学分析结果，构建包含PM2.5的源、PM2.5多重致癌组分、肿瘤标志物的多变量相关性分析模型，筛选特异性阻断致癌信号通路的蛋白抑制剂，研究损伤修复机制。本研究设计的MOC系统，突破了传统2D细胞培养和动物实验的局限，体外模拟多种活体细胞、组织、器官微环境，反映不同器官、组织主要结构、功能特征和相互生理作用，节约成本且不涉及伦理争议，实现了高通量和自动化，为大气污染、人类健康和相关疾病的预防及治疗提供基础性资料和可靠的技术平台。

环境细颗粒物能引起体内代谢失调，与多种癌症如肺癌的发生率成正相关。然而其如何在分子水平上影响代谢和肿瘤发生及相关疾病的治疗方法尚不明确。本研究成功制备了可集成呼吸系统（气液暴露肺芯片）、代谢系统（肝-肾、肝-肠芯片）和生殖系统（肾-睾丸芯片）的多器官微流控平台，用于细颗粒物体内代谢模拟及其引发系统性毒性研究，通过多组学结合Elisa、免疫荧光、qPCR、Western blot、 TEM、流式检测等技术揭示了其诱导疾病相关信号转导通路分子机制、鉴定出生物标志物并筛选出抑制剂。.结果证明：1）PM2.5暴露后肝-肠多器官芯片有364种代谢物失调，诱导了肝、肠胆固醇和胆汁酸代谢紊乱；2）PM2.5干扰了肝-肾多器官芯片经典的IRS-1/AKT信号通路（INSR、IRS-1、PI3K、AKT、GLUT2、GLUT4和FOXO1下调）和胰岛素抵抗IR相关代谢通路：己糖胺通路（UDP-GlcNAc）、糖异生途径（β-D-葡萄糖6P）、脂质生物合成途径（TG、Cer）紊乱；其组分EC、16PAHs、金属（Ca、Co、V）与INSR、IRS-1、AKT、FOXO1、GLUT2、GLUT4的失调显著相关；3）PM2.5气液暴露后肺芯片有36,838个基因发生甲基化改变，其中33,796个基因去甲基化，2862个基因超甲基化；19489个基因表达上调，16659个基因下调，钙离子和细胞凋亡通路被激活。EGFR基因甲基化改变并上调，Erlotinib HCl等抑制剂对EGFR的抑制可通过PLCγ/CaMK和STAT/Bcl-2/Bcl-XL通路调控细胞钙离子通量和凋亡。EGFR可作为潜在疾病治疗靶点；4）PS-NPs通过肾睾丸芯片上HK-2和NTE细胞的内吞作用被内化，诱导JNK1/2/3和TNF-α及其受体 TNF-α-R 表达显著失调，NRF2显著增加，癌相关信号通路MAPK通路（RTK、RAS、ERK、JNK、P38、NRF2、TNF-α和TNF-α-R）和PI3K-AKT通路（PI3K、AKT、MDM2、P53和BAD）被PS-NPs强烈激活，导致细胞癌变。.本研究成功构建了可集成肺、肝、肾和睾丸等模块的多器官芯片系统，为环境细颗粒物的体外细胞毒性机制研究提供了可靠的平台，揭示了其导致代谢失调和细胞癌变的复杂分子机制，为环境健康及相关疾病的预防和治疗策略提供了研究基础。