体外构建人体仿生3D组织器官模型对于生物医学领域的研究如疾病机制探讨,药物开发,精准治疗和再生医学等具有重要意义。动物模型和传统的二维细胞培养体系难以真实反映人体器官生理及对药物或外界刺激的响应,具有一定局限性。器官芯片（Organs-on-chips）是近年来发展起来的以微流控技术为核心构建的器官生理微系统,它是与生物学、物理、化学、材料学和工程学等多种方法相结合的一门前沿交叉技术。本论文研究工作针对人体特定组织器官的结构和功能特点,将干细胞生物学与微流控器官芯片技术相结合,在体外建立了生理相关性的人源3D脑和肝类器官模型,为器官发育学,疾病模拟和药物评价等生物医学应用研究提供了新的策略和重要平台。分述如下:人脑类器官芯片体系构建方法学研究。设计建立了一种可灌注培养的多通道器官芯片系统,用于人多能干细胞（Human inducedpluripotent stem cells,hiPSC）来源的3D脑类器官模型构建,反映了体内生理条件下脑早期发育的过程和关键特征,包括神经前体分化,前脑和后脑区域形成以及皮层结构发育。与传统静态培养体系相比,芯片上的灌流培养促进了脑类器官的神经元分化和皮层发育。该脑类器官芯片体系为脑早期发育研究,疾病模拟和药物开发等提供了一种新的策略和平台。人肝类器官芯片体系建立方法学研究。设计建立了一种可灌注培养的含有微柱阵列结构的器官芯片用于肝类器官模型构建。实现了 hiPSC来源的拟胚体的可控形成,原位分化和肝类器官的产生,具有白蛋白分泌等肝功能特征。结果显示流体可促进肝类器官的分化和成熟。该体系进一步用于肝毒性药物（对乙酰氨基酚）的测试,显示对其有肝毒性响应,为药物测试和评价等提供了新的平台。脑类器官芯片用于生命早期尼古丁暴露对脑发育影响的研究。结果显示,尼古丁暴露可引起细胞凋亡,促进神经元过早分化,并诱发脑区分化及皮层发育异常。提示尼古丁暴露与胎儿脑发育障碍密切相关,该研究在一定程度上为解析生命早期相关神经系统疾病的发生机制和药物开发等提供了重要理论依据和新的平台。肝类器官芯片用于非酒精性脂肪肝病（Non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD）的研究。肝类器官芯片在游离脂肪酸暴露下模拟NAFLD的发生发展过程。肝类器官表现出一系列NAFLD的病理特征,包括脂滴形成和甘油三酯积累,脂肪代谢相关基因表达异常,氧化应激水平和炎症因子表达升高,以及肝纤维化相关蛋白表达增强。提示肝类器官芯片可模拟NAFLD发生发展的关键特征,对于更好地理解NAFLD的发生机制以及药物开发治疗具有重要意义。