利用基于微流控技术的类器官模型成功实现纳米材料生物安全性筛查

近日，厦门大学左正宏教授团队在《Small》杂志上发表题为“Black Phosphorus Quantum Dots Cause Nephrotoxicity in Organoids, Mice and Human Cells”的研究论文。该研究成功构建了肾类器官模型并利用该模型筛查了多种代表性量子点(Quantum dots)纳米材料生物安全性，发现了新型纳米材料黑磷量子点(Black phosphorus quantum dots, BP-QDs)具有潜在肾毒性，并首次深入阐述和证明了BP-QDs经过非折叠蛋白反应调控肾脏损伤及胰岛素敏感性降低的毒性机制。

类器官(organoids)是指在体外环境下培育形成具备类似真实器官的3D结构，能部分模拟来源组织或器官的生理功能，维持细胞对药物、污染物的代谢能力，在器官发育、疾病模型、药物筛选和毒理学评价等方面具有广阔应用前景。研究团队采用小鼠肾脏组织分离出的细胞，结合微流控技术生成具有肾小管、肾小球样结构的肾类器官。该系统能够以每秒5个的速度形成类器官前体，一只小鼠可以制备出数千个结构类似、大小均一的肾类器官。

研究团队利用该类器官筛查评估了多种代表性QDs潜在肾毒性，发现新型纳米材料BP-QDs具有较高毒性，并在小鼠和人肾小管上皮细胞中得到了进一步证实。BP是一种新型纳米材料，在半导体和光电性能等方面优异于石墨烯和二维过渡金属硫化物。相比BP纳米片，BP-QDs没有边缘效应和量子限制，三个维度均处于纳米范围内，具有更高光稳定性、光热转换效率和光催化效率，在光电子、能源和生物医药等领域具有广阔前景。然而，BP-QDs生物安全性研究刚刚起步，对人体健康效应不明。因而，研究团队继续深入研究，发现了BP-QDs暴露会导致肾脏胰岛素敏感性降低和内质网应激(ER stress)，进一步阐明了BP-QDs引起ER stress激活非折叠蛋白反应下游IRE1α/XBP1s支路抑制了IR/IRS/PI3K/AKT信号从而介导肾小管细胞上皮细胞毒性和胰岛素敏感性降低。该研究利用类器官、小鼠和人类细胞综合评估了BP-QDs纳米材料的生物安全性，并揭示了BP-QDs急性肾脏损伤新的分子机制，为纳米材料导致肾脏损伤提供潜在干预策略和靶点。

厦门大学生命科学学院左正宏教授、何承勇副教授和清华-伯克利深圳学院马少华助理教授为共同通讯作者，厦门大学何承勇副教授、硕士生阮锋凯和清华-伯克利深圳学院博士生蒋盛威为该论文的共同第一作者。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、厦门大学校长基金和厦门大学细胞应激生物学国家重点实验室开放研究基金的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202001371