血管微环境模拟芯片:动脉粥样硬化研究的利器

发布时间:2016-05-12

  动脉粥样硬化引起的血管堵塞导致的心肌梗死、中风、甚至猝死等心脑血管疾病目前已成为中国和全球的第一位死亡原因且流行趋势不断加剧,成为国际上普遍关注的社会问题。因此,研究动脉粥样硬化的基本病理机制并在此基础上有效预防其发生、发展就显得极其重要和紧迫。动脉粥样硬化的发生和发展和血管微环境息息相关。血管微环境是指由血流动力学刺激以及多种生化刺激组成的复杂的血管内理化环境。生理状态下的血管微环境对保持血管正常结构和功能有重要意义,然而,病理性血管微环境比如高血压、高血糖、高血脂等则可以引起血管壁细胞功能的紊乱从而导致动脉粥样硬化的发生和发展。目前生物学家研究动脉粥样硬化的手段主要有两个:一是以培养皿为代表的体外研究体系,另一个是以实验动物为代表的体内研究体系。培养皿上的研究由于缺乏复杂的体内环境而不能很好地代表体内情况,而动物实验则由于费时、费力、成本高以及伦理问题等而饱受诟病。有没有一种既能避免两种传统研究方法的弊端又能模拟血管复杂环境的研究工具呢? 

  近期,国家纳米科学中心中科院纳米生物效应与安全性重点研究室蒋兴宇研究团队设计了一种基于微流控芯片的动脉粥样硬化研究体系,可以全面模拟动脉粥样硬化早期病理改变。该芯片可以模拟低流速、高心率等病理性血流动力学环境并表明这些异常的力学刺激可以促进动脉粥样硬化的发展。在该芯片上还能以力学刺激为背景,模拟包括高血糖、高血脂、炎性因子(TNF-a, LPS, Angiotensin-II)等在内的多种动脉粥样硬化促发生化因素。实验表明,这些生化因素在力学背景下(芯片上)比静止状态下(培养皿)具有更明显的促动脉粥样硬化效应。借助芯片,他们还发现了抗动脉粥样硬化药物普罗布考的细胞毒性,从而为解释该药在临床上的毒副作用提供了细胞水平的依据。他们还在芯片上研究了铂纳米颗粒对内皮细胞功能损伤的修复作用,并发现铂纳米颗粒可以比商品化抗动脉粥样硬化药物有更好的降低活性氧(Reactive oxygen species, ROS)的效果。蒋兴宇研究团队的研究表明:基于微流控芯片上的动脉粥样硬化模型是连接体外实验和体内实验的一座桥梁,为动脉粥样硬化的病理研究及相关药物筛选提供了条件。本研究工作以封面文章的形式发表在Wiley旗下的期刊Small, 15, 2022 (2016),并被Materials Views中国重点报道(http://www.materialsviewschina.com/2016/04/vascular-microenvironment-in-analog-chips-the-atherosclerosis-research-tool/)。

  

  基于微流控芯片的动脉粥样硬化研究模型的结构及与体内外实验对比

  

  Small封面图片

(蒋兴宇研究团队一直致力于基于微流控芯片的血管模型的构建和研究。根据天然血管不同细胞组成多层管状结构的特点,将平面上的细胞图案化技术和应力引发自卷曲技术结合成功实现了多种细胞在三维管状结构上的层状分布。同时,在自卷曲膜的表面通过光刻和软刻蚀技术可以制备微结构,根据接触诱导的原理在管结构中实现血管壁细胞的环形和纵形分布。从而解决了如何在体外实现三维结构的多种细胞的可控分布的研究难点,实现了在体外最真实的模拟体内血管结构。该研究的系列成果陆续发表于Advanced Materials24,890 (2012)封面文章;Advanced Functional Materials, 23, 42 (2013); Small, 9,2410 (2013)。)