基于肝-肾代谢芯片的苯污染物暴露毒性评价新方法研究

Environmental pollution has raised great health concern. In order to study its biological effects and evaluate toxicity, building a human metabolic physiology model in vitro become a great challenge. It would be essential to do toxicological evaluation of contamination and to clarify clearly its impact on the health of the human body. Different models are usually used for toxicity evaluation in previous studies, however, these model organisms testing can not fully reflect the human response to toxic pollutants because of the differences in metabolism enzymes. In this project we plan to build bionic kidney and liver in microfluidic chip which mimics the process of benzene pollutant metabolism in human body. The toxicity effects of benzene pollutant and the response mechanism of the bionic organ are further clarified. This project will establish a new method for pollutant toxicity assessment based on bionic organ and provide a vital technical support to ecological risk assessment and diseases control.

研究环境污染物对机体可能发生的生物效应是环境毒理学关切的重要问题。其中，建立污染物毒理与健康效应评估新体系、新方法是环境污染健康危害研究面临的重要挑战和瓶颈问题。由于体内代谢酶的差异，传统的毒理评价模型并不能真实的反映污染物在人体内的代谢过程及相应的毒性效应。本项目拟以极具发展潜力的微流控芯片为核心技术，构建肝-肾器官代谢芯片，以苯污染物为研究对象，模拟苯污染物经肝代谢影响肾功能的整个代谢过程，建立接近体内环境的污染物暴露毒性评价新体系、新方法，并进一步阐明苯污染物毒理效应和机体对污染物的响应机制。本项目的成功实施将为污染物及代谢产物风险评估、疾病防控等领域提供全新的思路。

项目以微流控技术为核心，以组成体内重要器官主要细胞组分、基质和流体条件为核心要素，特色性实现多种三维仿生器官芯片新体系的构建。首先，创新性地建立了基于微流控技术的组织水平人源性肝、肠、肾芯片研究新体系，反映体现生理屏障的关键核心要素，并可模拟接近体内的生理、病理微环境。研究显示，所构建肠黏膜芯片中肠屏障功能、吸收代谢能力增强，表现在ALP、SI基因及CYP 450酶的表达水平显著增高。在血管内皮细胞共培养条件下，肝组织呈现3D样形态，CYP 450基因的表达远高于二维培养，维持肝脏特有的白蛋白和尿素分泌功能可达60天。开展了环境污染物及药物作用下生理屏障功能损伤的剂量-效应关系研究，高浓度Cd可导致肾滤过屏障和功能损伤，包括细胞凋亡增加、紧密连接蛋白减少、屏障渗透性升高等的肾损伤过程。其次，采用工程化方式构建复合器官模型，多界面设计可以在单个芯片中构建具有多器官分区的系统，显示了更多的功能和灵活性。可再现人类器官间联系，并初步评估药物经肝代谢或肠吸收后的肾毒性作用机制。本项目所构建的一系列人源性组织水平仿生研究模型，为环境污染物的生物学效应及毒理学机制研究提供了一种全新的技术平台及系统性研究体系。.项目实施以来，认真按照研究计划完成各项任务，取得了一系列有显示度的研究成果，整个项目组完成9篇高质量SCI研究论文，申请技术发明专利6项；辅助培养博士研究生4名。项目负责人苏文涛增选为中国毒理学会毒理学替代法与转化毒理学专业委员会青年委员，项目组成员做国际会议大会口头报告2 次，会议墙报汇报4 次，完成了任务书中所述及的全部目标。