以磁控PLGA纳米纤维/PDMS复合薄膜为夹层肺芯片的构建与应用

This project intends to develop a novel lung-on-a-chip with magnetically controlled PLGA nanofibers/PDMS composite membrane as middle layer. Lung cancer cells and vascular endothelial cells are used in this microchip to form the epithelium and endothelium respectively, and the collagen and elastin are modify the membrane to simulate the basement membrane. All of them could bionic lung respiratory membrane in vitro. In addition, magnetic control equipment will be supplemented to induce composite membrane deformation and simulate respiratory activity of lungs. The alveolar microenvironment could be biomimetic in vitro, and could be used to evaluate the efficacy of various anticancer drugs and their compatibility, to explore the drug resistance of lung cancer cells and tumor metastasis-related mechanisms. It will provide a new technology platform for organ biomimetic in vitro and tumor microenvironment simulation, and also have provides new ideas for tumor research, personalized medicine and new drug development.

本项目拟开发一款以磁控PLGA纳米纤维/PDMS复合薄膜为夹层的肺芯片，利用肺癌细胞、血管内皮细胞在复合薄膜两侧分别形成肺上皮细胞层和内皮层，利用胶原、弹性蛋白对复合薄膜进行修饰模拟基底膜层，体外仿生肺的呼吸膜。此外，研究中还将辅以外围磁控设备，引发复合薄膜形变，模拟肺呼吸运动，实现体外肺泡微环境的仿生构建，开展对多种抗肿瘤药物及其配伍的药效评价，探索肺癌细胞耐药性的产生及肿瘤转移相关机制，为体外器官仿生、肿瘤微环境模拟提供新的技术平台，也为肿瘤研究、个性化医疗、新药开发等提供新思路。

细胞体外培养及生理或病理细胞微环境的模拟是生命科学研究的重要组成部分，在组织工程、生物医学、仿生科学等领域具有重要意义。但现有技术远远不能满足对细胞微环境的真实模拟，更达不到对组织、类器官水平的仿生，成为当前生命科学领域亟待解决的难点问题之一。从微流控芯片发展而来的器官芯片是细胞培养及微环境模拟的新型技术平台，有望突破现有技术困境，解决体外细胞培养及微环境模拟存在的问题，为体外生物仿生、生物医学研究、新药开发和临床个性化诊疗提供帮助。本项目以微加工技术和静电纺丝技术为基础，设计并构建了以PLGA纳米纤维/PDMS复合薄膜为夹层的新型肺芯片，模拟肺气血屏障，实现体外肺泡微环境的仿生，开展对多种抗肿瘤药物及其配伍的药效评价，探索肺癌细胞耐药性的产生及相关机制。此外，研究者还通过引入微流体纺丝技术和三维生物打印技术，进一步开展新型三维功能化微组织制造，模拟肺组织三维环境，并将其同肺芯片结合，开展肺细胞长期三维培养、肺肿瘤转移及相关机制研究。以上研究可为体外器官仿生、肿瘤微环境模拟提供新的技术平台，也为肿瘤研究、个性化医疗、新药开发等提供新思路。项目执行期间共发表SCI论文6篇，申请国家发明专利2项，其中1项已获授权，培养硕士研究生4名。已建立的新型肺芯片，简单、有效、易操作，可实现对肺组织微环境的体外的有效模拟，将继续开展相关临床药物评价测试研究。