肺癌是目前世界上死亡病例最多的癌症,开发更有效的新型治疗药物以提高病人的术后生存期是全世界人民的普遍希望。然而,药物研发的周期长、成本高、成功率低。候选药物从I期临床试验过渡到获批的成功率仅为5.1%,一定程度上是由于临床前研究结果的不可靠性。因此,寻找更可靠的药物筛选模型和手段对于提高药物研发的成功率尤为重要。同时,肺癌的异质性极强,患者个体之间差异显著,含铂的两药联合化疗方案的疗效已经到达瓶颈。针对不同分型、分期、基因突变情况和身体状况的患者需要选择不同的给药方案,对患者实行个体化治疗,这也对新型的体外药物测试工具提出了需求。本论文基于肺癌患者来源的细胞与类器官和生物传感技术,针对药物筛选和个体化治疗中的重要需求,开展了细胞和类器官传感器的相关研究。首先,设计了检测细胞活性氧水平的电化学细胞传感器和能够综合评价抗肺癌药物疗效和心脏安全性的多功能细胞传感器,评估其在药物筛选中的应用前景。随后,建立了肺癌患者来源的细胞模型和3D阻抗传感器系统,评估其在预测患者的药物敏感性中的应用价值。最后,建立了患者来源的肺癌类器官、3D心肌结构和肝类器官,构建了多类器官传感器系统,对其在肺癌个体化治疗中的应用价值进行了初步的研究。本文的主要研究内容和创新性工作包括:1、提出了一种用于检测细胞活性氧水平的电化学细胞传感器的设计方法,实现了对细胞活性氧的快速检测,能够用于抗肺癌药物筛选与相关的基础研究活性氧在肺癌细胞的命运调控中具有重要的作用,一些抗肺癌药物（例如铂类）能够通过调控细胞活性氧水平来杀伤肺癌细胞。本文设计制作了一种制备简便、操作简单的活性氧电化学细胞传感器。首先通过电沉积方法在丝网印刷电极表面修饰石墨烯（RGO）和铂纳米颗粒（Pt NPs）,构建活性氧电化学传感器,能够在1至10μM区间对H2O2进行高灵敏度、高选择性的检测,检出限为0.65μM。随后使用甲基丙烯酸酐化明胶/石墨烯水凝胶（Gel MA/RGO）将A549肺癌细胞固定到电极表面。Gel MA/RGO能够保证细胞在电极上保持良好的活性。传感器能够检测到药物（如f MLP）诱导的细胞活性氧水平的升高,能够用于靶向细胞活性氧的药物筛选。对和厚朴酚（一种天然多酚类物质）的测试结果表明,和厚朴酚能够通过上调细胞活性氧的水平来诱导肺癌细胞A549死亡。基于活性氧荧光探针DCFH-DA的共聚焦荧光显微镜和流式细胞术的结果验证了传感器试验结果的可靠性,表明该电化学细胞传感器有望应用于相关的药物筛选工作和基础研究。2、提出了一种多功能细胞传感器的设计方法,实现了对抗肺癌药物疗效和心脏安全性的综合评价抗肺癌药物的心脏安全性是临床上一个突出的问题。本文设计制作了一种新型多功能细胞传感器,通过将叉指电极和微电极集成到同一块芯片上,实现了对细胞活性、胞外电位、机械搏动信号的同时检测。多功能细胞传感器能够综合评价药物对肺癌细胞的抑制效果、对心肌细胞存活的影响、对心肌细胞胞外电位和机械搏动的影响,有望被广泛应用于药物筛选。同时,本文利用该传感器探究了AC0010（一种新型酪氨酸激酶抑制剂）对肺癌细胞,特别是携带EGFR T790M突变的肺癌细胞的抑制效果和对心肌细胞的毒副作用。EGFR T790M突变被证实与肺癌对EGFR突变靶向药物的耐药有关。实验结果证实AC0010对EGFR T790M突变的肺癌细胞具有显著的抑制效果,同时对心肌细胞具有一定的毒副作用,会影响心肌细胞胞外电位信号和机械搏动,可能损伤了心肌细胞膜上离子通道和肌质网Ca2+ATP泵的功能。此外,AC0010处理后还观察到了LDH释放数量和氧化应激水平的升高。由于AC0010仍处于临床试验阶段,本章的发现对于其后续的临床试验和应用具有重要的参考意义。3、提出了一种基于肺癌患者来源细胞和3D细胞传感器的药物敏感性检测方法,有望在临床上指导肺癌患者的个体化治疗肺癌的异质性导致患者间严重的个体差异,在给药前为患者进行药物敏感性检测有助于提高治疗的成功率。本文提出了一种基于肺腺癌患者来源细胞和3D细胞传感器的药物敏感性检测方法。本文将肺腺癌病人来源的原代肿瘤细胞（PDC）进行2D和3D培养,结合2D和3D细胞阻抗传感器,测试了PDC对顺铂、和厚朴酚和凡德他尼三种药物的敏感性,并使用荧光染色试验和体内试验进行验证。实验结果表明,PDC在3D培养环境下具有比2D培养环境下更强的耐药性,2D和3D细胞阻抗传感器能够区分PDC细胞在2D和3D培养环境下对三种药物的敏感性。本文提出的药物敏感性检测方法有望指导肺癌患者的个体化治疗,医生可以使用2D细胞阻抗传感器对大量药物进行初步筛选,随后使用3D细胞阻抗传感器进行二次筛选,选择病人细胞最敏感的药物开展后续的治疗。4、提出了一种多类器官传感器系统的设计方法,集成了多种类器官、3D细胞模型和多类器官传感器芯片,有望用于抗肺癌药物筛选和指导个体化治疗药物在患者体内会经历复杂的代谢过程,类器官能够在体外复制患者对药物的应答,帮助医生制定个体化的药物治疗方案。本文设计制作了一种多器官传感器系统,通过结合多个器官模型（肺癌类器官模型、3D心肌模型、肝类器官模型）和多个传感器芯片（由2个类器官阻抗传感器和1个多功能细胞传感器组成）,实现了对患者的药物应答的可靠预测,有望指导肺癌患者的个体化治疗。该多类器官传感器系统模拟了口服药物在体内的肝-心-肺轴代谢过程,构建了连接肝类器官、3D心肌结构和肺癌类器官的流路系统,能够预测药物对患者的疗效、心脏毒性和肝毒性。类器官阻抗传感器能够对类器官的活性进行直接检测,被用于检测药物对肺癌类器官和肝类器官活性的影响,多功能细胞传感器被用于检测药物对3D心肌结构功能的损伤。初步的研究结果表明肺癌类器官具有较高的耐药性,而类器官阻抗传感器能够区分不同类器官对同一种药物不同的敏感性。携带EGFR突变的HCC827类器官较未发生突变的肺癌类器官对靶向药物AC0010更为敏感,表现出更低的IC50。本文提出的多类器官传感器系统实现了对患者体内生理环境的高度模拟,能够在一定程度上替代或减少传统的动物试验和指导肺癌患者的个体化药物治疗。