基于iPSCs和3D打印集成制造技术构建个性化肝脏芯片研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    31871015
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    59.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    C1008.生物与医学工程新技术新方法
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The occurrence rate of liver disease in China is very high, with more than 100 million patients in total. Due to the limitations of planar cultured cell models and animal models, there poses a significant demand for the development of physiological functional in vitro models with the patient's own characteristics to assist pathogenesis study and drug development research. Organ-on-a-chip technology provides a powerful tool in simulating the complex human microenvironments, and recapitulating the physiological functions and pathological features from tissue to organ level. The research level of organ-on-a-chip is strongly related to its manufacturing technology and choice of seeding cells. This project is aimed at human liver tissue, which poses the most functions and the most complex microstructures. We proposed the fabrication of liver-on-a-chip with highly relevant physiological and pathological process to human liver through iPSC-based 3D cell integrated printing technology. Key research aspects includes: 1) basic theory of integrated liver-on-a-chip 3D printing technology; 2) key technologies for the development of integrated and personalized liver-on-a-chip 3D printing based on iPSCs characteristics; 3) the influence and regulation of fabrication process on stem cell phenotype and differentiation; 4) influence of engineering factors on the stem cell differentiation, tissue maturation, function reoccurring/maintenance and application of the liver-on-a-chip. With the success of this project, the research level of organ-on-chip technology, especially liver-on-a-chip will be greatly enhanced, thus contributing to the research of new drug discovery and personalized therapy development.
我国是肝病发生大国,各类肝病患者数量过亿。由于常用细胞平面培养模型和动物模型的局限性,目前亟待开发具有生理功能并携带供体自身特征的体外模型辅助发病机制和药物开发等研究。器官芯片为模拟人体复杂的微环境,从组织和器官水平再现人体的生理功能和病理特征提供了强有力手段,其研究水平与芯片制造工艺和种子细胞密切相关。本项目针对人体功能最多、微结构最复杂的肝脏组织,提出基于诱导性多能干细胞(iPSCs)和3D打印技术,集成制造与肝脏功能和药物代谢过程高度相关的个性化器官芯片。重点研究包括:1)3D打印集成制造肝脏芯片技术的基础理论;2)适用于iPSCs特征的3D打印集成制造个性化肝脏芯片关键技术;3)工艺过程对干细胞表型和分化的影响;4)工程化因素对细胞分化、组织成熟、功能形成/维持和肝脏芯片下游应用的影响。本项目如成功,将大大提高器官芯片,特别是肝脏芯片的研究水平,为新药研发和个性化疗法开发做出贡献。

结项摘要

本项目围绕基于iPSCs和3D打印的集成制造个性化肝脏芯片技术的基础理论及关键技术展开,通过开发适用于iPSCs细胞3D打印集成制造肝脏芯片技术,构建多种细胞可控三维排列并具有多套内通道管路系统的高度仿生个性化肝脏芯片,结合药物肝毒性和肝脏发育学研究,建立完备的复杂组织和器官芯片的集成制造实验平台,研究多种细胞三维空间排列、诱导条件、基质微环境等因素对细胞生长和组织发育的影响规律及科学实质。项目执行期主要完成了以下四个方面的研究目标:(1)基于血液单核细胞重编程制备了个性化的iPSCs细胞,建立了稳定的iPSCs向肝细胞和内皮细胞谱系定向分化的流程和类器官制备技术,多种细胞在打印形成的水凝胶结构中协同发育成熟并自组装形成具有肝脏特征的均匀类器官;(2)针对3D打印组织的结构和尺寸要求,开发了新型整体式器官芯片,动态培养的人工组织可长期存活并保持打印构建的几何微结构;(3)通过具有多层级结构的大孔支架批量制备肝胆细胞团簇,再基于挤出式生物3D打印技术,以批量制备的肝胆细胞团簇作为种子细胞,构建体外肝脏模型并予以生物因子诱导培养,指导肝脏模型中胆管的形态发生,成功构建肝胆双系统肝脏模型,该模型高表达肝细胞分泌蛋白、解毒、药物代谢、胆汁酸合成以及胆汁酸转运等肝胆功能性基因和蛋白,并具有卓越的白蛋白分泌和氨代谢功能;(4)肝胆双系统肝脏模型可以准确检测药物肝毒性,且对药物毒性的反应灵敏度可以与金标准媲美,显示出肝胆双系统肝脏模型作为金标准替代模型应用于药物毒性预测和筛选的潜力。基于以上研究结果,本项目形成成果31项:发表和接收带标注的SCI论文5篇(含SCI收录的学术专著一篇),申请和授权专利14项(含PCT国际专利5项),在国际和国内会议上宣读报告6次(含邀请报告3次),参与组织国际会议2次(含中方会议召集人1次),项目执行期间培养博士毕业4名同学。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(14)
Triboelectric nanogenerators for electro-assisted cell printing
用于电辅助细胞打印的摩擦纳米发电机
  • DOI:
    10.1016/j.nanoen.2019.104150
  • 发表时间:
    2020-01-01
  • 期刊:
    NANO ENERGY
  • 影响因子:
    17.6
  • 作者:
    Huo, Hengning;Liu, Fan;Cheng, Jia
  • 通讯作者:
    Cheng, Jia
Rapid and efficient in vivo angiogenesis directed by electro-assisted bioprinting of alginate/collagen microspheres with human umbilical vein endothelial cell coating layer
具有人脐静脉内皮细胞涂层的海藻酸盐/胶原微球的电辅助生物打印引导快速有效的体内血管生成
  • DOI:
    10.18063/ijb.v5i2.1.194
  • 发表时间:
    2019-01-01
  • 期刊:
    INTERNATIONAL JOURNAL OF BIOPRINTING
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yao, Rui;Alkhawtani, Ahmed Yousef F.;Xu, Mingen
  • 通讯作者:
    Xu, Mingen
Biomaterial-assisted scalable cell production for cell therapy
用于细胞治疗的生物材料辅助可规模化细胞生产
  • DOI:
    10.1016/j.biomaterials.2019.119627
  • 发表时间:
    2020-02-01
  • 期刊:
    BIOMATERIALS
  • 影响因子:
    14
  • 作者:
    Chen, Ruoyu;Li, Ling;Yao, Rui
  • 通讯作者:
    Yao, Rui
Three-Dimensional Printing of Hydrogel Scaffolds with Hierarchical Structure for Scalable Stem Cell Culture
三维打印具有分层结构的水凝胶支架,用于可规模化干细胞培养
  • DOI:
    10.1021/acsbiomaterials.9b01825
  • 发表时间:
    2020-05-01
  • 期刊:
    ACS BIOMATERIALS SCIENCE & ENGINEERING
  • 影响因子:
    5.8
  • 作者:
    Feng, Lu;Liang, Shaojun;Yao, Rui
  • 通讯作者:
    Yao, Rui

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其他文献

银纳米颗粒负载阶层多孔二氧化硅块体的制备及表征
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    --
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  • 作者:
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    陈岱
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    --
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  • 发表时间:
    2021
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    --
  • 作者:
    赵佳琦;周勇;何欣;卜一凡;姚睿;郭睿
  • 通讯作者:
    郭睿

其他文献

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姚睿的其他基金

基于细胞微球3D打印技术工程化肝组织构建及在药物毒性研究的应用
  • 批准号:
    31500818
  • 批准年份:
    2015
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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