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秦建华研究员做客水木清华生命科学讲座讲述“类器官与器官芯片”

 

  2021年10月21日上午,中国科学院大连化学物理研究所秦建华研究员做客水木清华生命科学讲座,为师生做了题为“类器官与器官芯片”的学术报告。报告在清华大学生物新馆143举行,由生命中心PI陈晔光主持。

图为秦建华报告现场

  秦建华老师本次报告基于其课题组在类器官及器官芯片上展开的一系列工作。类器官是由干细胞或者从病人身上提取的肿瘤组织在特定的 3D 体外微环境下自组织发育而来的、高度模拟体内真实器官特征的小型化的体外器官模型。因其可以在很大程度模拟目标组织或器官的遗传特征和表观特征,在器官发育、精准医疗、再生医学、药物筛选、基因编辑、疾病建模等领域都有广泛的应用前景。 2013 年,类器官被《科学》杂志评为年度十大技术。 2018 年初,类器官被《自然·方法》评为 2017 年度方法。而类器官与材料科学、微流控技术、体外芯片相结合,达到体外模型重构、再生应用、疾病研究与治疗探究的目的。

  秦老师首先介绍了器官芯片方面的研究工作。通过体外结合微流控系统、材料科学、细胞生物技术,在体外重构了多个器官的生物芯片,包括脑、肾、肝、骨、心、肠等。根据不同器官的组织结构、细胞生长及结构重建要求,采用不同的微流控技术及相对适宜的材料。其中微流控系统包括持续流控、液滴流两种方式,材料科学则采用纤维状、丝状、球状等不同形态。如用液滴流的微流控方式模拟神经细胞的兴奋传递系统,利用持续流控的方式仿生体内的微血管系统等。

  体外构建的器官芯片也广泛应用到科研及临床用途。秦老师团队在体外培养肾小球并构建肾芯片,通过高糖刺激模拟糖尿病肾病,新发现了肾小球内皮细胞的脱离及迁移的生理病理状态。同时通过体外肺上皮细胞、肺内皮细胞、免疫细胞共培养,并模拟肺泡荚膜结构的气血屏障成功构建肺芯片。在此基础上,在P3实验室进行新冠病毒的感染研究。结果发现,相对于肺内皮细胞,肺上皮细胞更易感染,两者表现出不同的转录组变化及信号激活情况。同时,肺芯片中加入免疫细胞,会极大的加强炎症炎症的释放,包括IL-6,IL-8等。同时在免疫细胞共培养的情况下,肺内皮细胞损伤将加重、导致明显的脱落。该部分工作为世界上首次将芯片用于新冠病毒感染的科研报导。

  接下来,秦老师又详细介绍了她们团队在类器官系统方面的科研工作。虽然类器官系统在近年来得到了长足的发展,但仍存在一些问题亟待解决,如均一性、类器官相互作用、通量控制、类器官血管化等。在类器官系统探究的早期,秦老师团队建立体外拟培体及灌流培养系统结合的类器官芯片,可以将干细胞直接接种到芯片中,重现干细胞发育过程。相对类器官而言,具有较好均一性的同时,可以显著的延长体外观察干细胞分化、类器官自组织的时间。该芯片已实现脑、肝、心机、胰岛等类器官的重构过程。

  在此研究的基础上,秦老师团队通过在类器官芯片中加入微流控系统,模拟类器官血管化,并在胰岛类器官中成功实现胰岛素的分泌、钙吸收等相关功能。另外,通过构建脑类器官芯片,结合脑发育及空间分化过程,实现脑区分化的空间定向诱导。并在该系统中,探究尼古丁、药物及酒精对脑早期发育的影响。而在类器官相互作用方面,秦老师也进行了研究工作。通过芯片联合技术,实验肝类器官和胰岛类器官的共培养。进一步利用高糖刺激构建糖尿病疾病模型,并研究二甲双胍的作用机理。

图为师生认真听讲

  在报告的最后,秦老师总结了类器官及器官芯片领域的不足,如动物细胞反应性差、药物筛选通量低、模型相对简单等问题。同时对相关领域的发展提出了期望,今后将组织工程、传感系统,3D打印技术、材料科学、人工智能等多学科进行交叉结合,进一步完善该系统,更好的贡献科学研究及临床应用。

  秦建华老师精彩的报告内容引发了同学们的深入思考,同学们在报告结束后踊跃提问发言,表达自己的观点看法。秦建华老师也对同学们提问给出了细致的回答。

 

 

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