药物筛选和组织修复是生物医学领域中的重要研究课题。在药物筛选方面,体外检测药物的药效和毒性是药物进入临床研究前的一个重要环节。细胞二维(2D)培养是目前常用的体外药物筛选模型,但通过该模型得到的检测结果与动物实验结果,甚至是临床实际效果相差甚远。在组织修复领域,通常采用器官移植的方式来实现组织或器官修复,而大部分替代的组织器官主要来源于器官捐献、自身组织或动物组织等。然而采用器官移植的方法修复组织,常常受限于器官供体的数量有限,移植后与宿主发生免疫排斥反应以及使用自身组织修复容易造成机体的二次伤害等。因此构建具有与组织器官相似功能结构的类组织,则能够为药物筛选提供理想的体外模型以及替代器官移植实现组织修复。因此本论文旨在一方面以短纤维作为支架培养肝细胞球体、肿瘤细胞球体以及间充质干细胞球体,用于药物筛选、类肿瘤组织模拟、软骨修复和治疗关节炎,另一方面以可注射短纤维作为药物控释载体通过瘤内注射的方式治疗肿瘤,并且实现药物的局部缓释。建立一种可靠的,肝细胞球状体大小可控的以及可适用于高通量筛选的体外肝模型用于药物筛选仍存在巨大的挑战挑战性。本论文设计将短纤维作为支架,用于制备尺寸可控的,且具有肝特异性功能和表型的肝细胞球体。短纤维的长度、半乳糖和RGD的接枝密度能够调控细胞球体的大小及功能,长度为50 μm、PSMA混纺比例为95%、半乳糖和RGD接枝密度分别为135.7±4.5 nmol/mg和14.8±0.5 pmol/mg的短纤维培养得到的肝细胞球体具有最佳的肝特异性功能表达。短纤维分布在整个细胞球体中,与肝细胞紧密地相互作用从而形成较为致密的细胞球体。与不含支架的肝细胞球体相比,在对五种药物(甲苯磺丁脲、S-华法林、咪达唑仑、睾酮和对乙酰氨基酚)代谢清除率的考察过程中,含短纤维的细胞球体作为药物模型具有更高的代谢清除率,能够更好地预测体内药物清除率,其体内体外相关值(R2)为0.886。此外,这些肝细胞球体的药物代谢能力还表现在对药物代谢酶的诱导剂和抑制剂具有高度敏感,并且在20天的培养过程中一直保持对药物的响应性,为确定药物-药物的相互作用提供了一种有效的体外模型。因此,通过与短纤维共培养得到的肝细胞球体是一种能够在体外长时间维持肝细胞功能的简便操作方法,可推广至传统的多孔板和微芯片设备中培养,后用于高通量药物筛选。肝脏能够调节葡萄糖代谢和脂代谢。利用半乳糖修饰的PSMA/PS短纤维(gSF)作为支架分别与小鼠原代肝细胞(rPH)和肝癌细胞系(HepG2)共培养获得肝细胞球体模拟肝组织用于糖脂代谢的研究。与HepG2细胞球体相比,rPH细胞球体在葡萄糖消耗、糖原合成、糖异生、对胰岛素和胰高血糖素等葡萄糖调节激素的敏感性方面,表现出较强的葡萄糖代谢能力。HepG2细胞球体则显示出比rPH细胞球体更强的胆固醇和甘油三酯合成水平。通过对磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)和腺苷5’-单磷酸激活的蛋白激酶(AMPK)的活性表征,验证了上述实验结果。采用该模型研究药物的敏感性,含半乳糖修饰的短纤维肝细胞球体对升血糖药物(地塞米松)、降血糖药物(二甲双胍)、胰岛素增敏剂(吡格列酮)以及降脂药物(二甲双胍和洛伐他汀)均表现出较好的响应性。因此rPH和HepG2细胞球体可分别用作体外葡萄糖和脂质代谢研究模型,并且可用于筛选代谢紊乱疾病(如糖尿病和肥胖症等)的治疗药物。在全身性给药后,只有一小部分药物进入肿瘤,有许多障碍因素阻止药物向肿瘤内渗透。为克服这些障碍,通过在瘤内注射含抗癌药物的载药短纤维,使药物在靶点部位积累,从而达到治疗效果。制备了 5(FF-5)、20(FF-20)和50 μm(FF-50)的载HCPT短纤维,分散到2%海藻酸钠溶液中,注射性好。FF-5、FF-20和FF-50的药物释放曲线趋势相似,但纤维长度越长药物释放速度越慢。体外细胞毒性实验表明,FF-5和FF-20比FF-50会引起更高的细胞毒性和细胞凋亡率。短纤维瘤内注射小鼠H22皮下肿瘤后,长度越长的短纤维在瘤内的滞留效果更好。然而,载HCPT的纤维膜虽然在瘤内的滞留效果最好,但其抗肿瘤活性较低。与FF-5和FF-50相比,FF-20在瘤内释放HCPT在肿瘤内具有最佳的空间分布效果,这对动物存活、肿瘤生长抑制和肿瘤细胞凋亡诱导等具有显著的影响。上述结果表明肿瘤内注射载药短纤维是一种有效的治疗实体肿瘤的策略,通过调控载药短纤维在肿瘤内的滞留效果以及释放药物在肿瘤组织内的空间分布,来降低药物的全身毒性并提升治疗效果。为构建类肿瘤模型,以聚乳酸-聚乙二醇共聚物/聚环氧乙烷(PELA/PEO)混纺短纤维作为支架,携载促乳腺癌细胞系(MCF-7)增殖的17β-雌二醇(E2)药物,与细胞共培养构建MCF-7球体。PEO的含量和E2载药量会影响药物的释放速度、细胞的活力、增殖及粘附。结果表明PEO添加比例为3%、E2载药量0.01%的短纤维与MCF-7共培养6天后,即可得到直径为250 μm的成熟类恶性肿瘤细胞球体。该细胞球体在结构和因子表达上与恶性肿瘤类似,即中心细胞生长密集、内部缺氧,与恶性肿瘤的相似性较高;通过表征E-钙粘蛋白表达、恶性因子分泌、上皮-间充质转化相关基因表达等,证明该细胞球体具有恶性侵袭转移的倾向;癌症干细胞(CSC)表型基因表达和体内肿瘤构建表明该细胞球体具有较强的致瘤性。所有结果表明MCF-7球体与恶性实体瘤类似,因此可以作为体外类肿瘤模型用于新药的研发和肿瘤疾病的研究。采用组织工程的方法修复软骨缺损,将载有软骨诱导药物kartogenin(KGN)的PELA短纤维作为支架与骨髓间充质干细胞(BMSC)共培养得到有软骨分化潜能的细胞球体,为避免细胞流失,以可注射水凝胶包裹BMSC球体填充软骨缺损部位。结果表明KGN的载药浓度、水凝胶的机械性能和注射过程会影响BMSC球体的活力和分化能力,其中通过调节凝胶的浓度、反应比例以及在凝胶中添加短纤维可有效调控凝胶的机械强度。最终凝胶浓度为3%,巯基/丙烯双键(HS/Acr)反应比例为1/1.2,短纤维掺杂浓度为1%,以及KGN短纤维载药量为0.1%的复合支架在体外诱导BMSC分化成软骨细胞的效果最理想;体内缺损软骨修复结果表明,该复合凝胶携载BMSC球体治疗6周后缺损部位被大量的成熟新生软骨填充,12周后缺损部位得到了完全的修复。随后将该组织工程软骨与抗关节炎药物塞来昔布(CLX)结合并治疗骨关节炎,将CLX载入增强凝胶力学强度的短纤维上,调节药物浓度对BMSC无毒副作用;结果表明二者的协同作用能够较大程度地抑制关节炎的发展,12周后关节炎症状缓解并且病变引起的软骨缺损得到了修复。综上所述,本论文以短纤维作为可注射的药物控释载体用于瘤内注射治疗皮下肿瘤;作为体外三维培养细胞球体的支架,分别构建了肝脏、肿瘤以及软骨相关的细胞球体,可有效用于药物代谢模型、降糖降脂药物的筛选、类肿瘤的构建、软骨组织的修复和关节炎治疗;研究结果为体外药物筛选模型、器官修复和疾病治疗等提供了新思路和手段。