研究目标


我们致力于设计和应用先进的材料合成、微流控和微加工技术,在空间和时间上控制细胞外部微环境以及细胞内在的三维重构。主要研究方向包括:探究局部胞外环境的生物化学和生物力学参数,以及细胞器的三维空间排布对细胞功能的影响机制;利用微流控技术调控细胞外基质分泌和内生因子环境诱导iPS细胞,并分化为特定的人体组织;合成新型生物材料,针对干细胞和肿瘤组织,构建体外3D培养模型,应用于针对临床的干细胞疗法和癌症研究。

 

研究意义


阐明人体组织复杂的三维结构与功能之间的关系,深入了解生理和病理进程是目前再生医学领域的关键问题。我们利用微流控、微加工、双光子打印等先进技术手段,在体外构建模拟人体组织机构,已弥补传统细胞培养、动物模型和患者之间研究空缺。从而为深入探究人类疾病的致病机理和开发具有临床竞争力的组织工程学和再生医学产品,提供理论基础和技术支持。

 

研究项目


调控细胞三维结构改变细胞核形态和功能

近年来,大量研究表明,细胞外的物理和机械力学微环境是从胚胎发育到组织过程中动态平衡的主要调节因子。因此,细胞形状、细胞几何形状或细胞力学传导的异常和缺陷,常常与癌症、组织纤维化和心脑血管等疾病的病理发展密切相关。

本项目主要集中研究细胞形状和相互连接的细胞器在3D空间的排列是如何影响细胞功能,尤其是如何影响细胞核功能的。通过研究,我们将揭示细胞和细胞核形状的改变是否会损害核组织、染色质重塑和基因表达。本项目对不同领域的研究均具有主要影响在于:干细胞(发育过程中涉及到的大量细胞核和细胞重排)、癌症(细胞形状和结构改变与细胞功能丧失有着密切的相关性)和免疫系统(细胞核重塑能力的高度可塑性系统)。

 

利用微流控和iPSC技术体外构建人体组织模型

我们研究的重点是模拟细胞和细胞外基质蛋白在体内的特定结构和功能的空间排列来开发其体外模型。我们特别致力于通过调节外在因子来调控细胞(iPSCs)的重编程和编程的内源性信号通路。我们使用的微流控技术可以在时间和空间上控制细胞培养的微环境,通过缩小实验体系规模对体细胞重编程和胚层形成分化以及组织形态的表型分化等仿生发育研究提供精确的调控和便利。外在自我调节重编程/编程的分子机制研究对于特定细胞表型的高质量衍生有着及其重要的意义。

 

开发先进生物材料,体外构建癌症类器官,用于癌症研究

在过去几十年中,传统的二维平面细胞培养技术和鼠类动物模型一直是针对抗肿瘤药物开发最常用的技术手段。然而这些手段缺乏模拟人体组织天然微环境的能力,利用其开发出的药物常常无法通过临床试验的最终考验。因此,在体外开发三维模型以模拟复杂的肿瘤组织微环境,并应用于癌症治病机理的研究和抗癌药物研发已成为生物医学领域的科研热点之一。近年来,一系列新型的研究模型被开发出来,比如transwell cultures、spheroids、 organoids和微流控生物芯片等等。尽管如此,设计开发一种理想的生物材料,具有良好的生物适应性,可轻松调节材料理化特性以灵活模拟组织微环境,并最终应用于抗癌药物的筛选,依然是该领域面临的重要挑战。

本实验室致力于开发新型生物材料和三维细胞培养体系,用于干细胞再生医学以及针对癌症治疗的研究。在前期工作中,我们已开发出多种基于高分子聚合物和生物大分子的多功能性生物材料和可注射水凝胶体系,用于干细胞递送和肿瘤细胞的培养。同时,利用双光子3D打印技术,我们实现在细胞培养凝胶中构建微米级精细结构,动态研究细胞与细胞、细胞与胞外基质间的相互作用,进而探索肿瘤迁移发展的生物学机理;并期待结合微流控加工技术,开发新型的高通量筛选手段用于抗癌药物的研发。