现有技术体系下的新药研发周期需要5-10年,研发经费需要数十亿美元,成功上市的比例仅有万分之一左右,其主要的原因就是动物与人存在根本的种属差异,使得临床药物成功率只有8%左右。建立一种可以模拟人体器官的体外模型,对候选药物进行快速的活性筛选和毒性评价,可以有效降低药物研发成本和提高成功率。器官芯片可以从“组成”、“结构”和“环境”等多面对人体器官进行模拟,已经逐步成为进行药效学、毒理学和药代动力学研究的新平台。壳寡糖是氨基葡萄糖通过β-1,4糖苷键连接形成的聚合度2-10的低度聚合糖。壳寡糖因其生理作用的多样性和特异性而备受关注;对抑制肿瘤生长、促进肠道有益菌群生长、改善肠道微环境等有显著地效果。为进一步探究壳寡糖对人体肝肿瘤细胞转移和肠炎的调控作用,本文分别构建了体外肿瘤-血管模型和蠕动大肠模型,并对模型的功能进行了深入评价和优化。之后利用肿瘤转移模型,探究了乙酰度46%壳寡糖(paCOS)对肝肿瘤细胞转移的抑制作用。利用体外肠炎病理模型,探究了特定聚合度壳寡糖在肠炎发生发展过程中对肠粘液屏障、肠上皮屏障和炎症反应的调控作用。论文第一部分构建了一个新的肿瘤-血管微流控芯片模型(已申请专利),利用该模型我们第一次在体外实现了肿瘤转移不同阶段(增殖、迁移、侵入血管和黏附于血管)的模拟。利用该肿瘤模型我们发现乳腺癌细胞(MDA-MB-231)对血管内皮层胞间连接蛋白有显著的破坏作用,主要从胞间侵袭进入血管;肝癌细胞(HepG2)则可以通过破坏基底膜穿过血管内皮细胞进入血管腔。与传统的静态模型对比,利用该动态微流控肿瘤转移模型,研究发现5-氟尿嘧啶对肿瘤细胞转移不同阶段均有显著的抑制作用。初步结果显示,此微流体装置可用于研究不同肿瘤细胞的转移过程,同时也可以用于药物抗肿瘤转移评价。论文第二部分我们通过酶解法制备了一种乙酰度为46%的壳寡糖(paCOS),利用体外肿瘤转移模型,我们发现paCOS通过体外动态血管吸收具有显著抑制肝癌细胞(HepG2)增殖的活性,同时可以抑制HepG2细胞迁移。此外,paCOS在10 μg/mL对肝肿瘤细胞侵袭进入血管腔的抑制作用要强于100 μg/mL,可能是在100μg/mL时paCOS对肿瘤血管增殖和屏障功能有破坏作用。论文第三部分我们构建了一款全新的肠-血管微流体系统并用于肠道微生物与宿主互作研究。通过压力泵驱动我们实现了肠腔蠕动模拟。观察发现肠上皮细胞在蠕动条件下与血管内皮细胞共培养5d即可分化出致密屏障和吸收功能(而传统静态模型需要培养21 d)。同时,可观察到肠上皮细胞分泌出粘液层糖链和微绒毛。利用该模型,我们发现干酪乳杆菌可以显著减少大肠杆菌侵袭引起的肠屏障损伤和炎症反应,同时可以实现微生物与肠上皮细胞稳定共培养一周。研究表明,此体外肠器官芯片模型具有吸收、代谢和实现肠道微生物长期共培养等功能,同时也可用于药物和益生菌修复肠炎等活性评价。论文第四部分我们首次使用肠器官芯片模型探究了低分子量壳寡糖对肠屏障损伤和炎症反应的的调控作用。通过构建DSS肠炎损伤模型,我们发现聚合度2-8的壳寡糖可以通过促进黏液层糖链表达减轻肠上皮损伤。之后通过构建大肠杆菌炎症性肠病模型,我们发现在动态条件下,壳寡糖可以显著降低大肠杆菌的粘附量和侵入血管腔的量,从而对肠上皮屏障和血管内皮屏障都有显著的保护作用。此外我们发现壳寡糖可以通过减少肠上皮细胞toll样受体(TLR)蛋白表达,减少NF-κB(p65)蛋白的核DNA结合率降低炎症反应。这些结果可总结出壳寡糖可以通过促进黏液层分泌、减轻肠炎引起的屏障损伤,可以通过NF-κB信号通路减轻炎症反应。综上,本文构建的肿瘤-血管芯片模型和蠕动肠芯片模型可以用于相关药物的活性筛选和相关机制研究;乙酰度为46%的壳寡糖(paCOS)可以为肝肿瘤细胞转移治疗提供支持;聚合度2-8的壳寡糖可以为肠炎修复提供更多的治疗方案。