模拟真实血管结构的定制化血管芯片，助力血管疾病研究
2025-06-02 11:16:19 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
血管芯片是一种在微观尺度上模拟人体血管的微流控器件。血管芯片可以针对特定病人，为药物测试和血流研究提供一种非动物方法。
人体血管系统是由动脉、毛细血管和静脉等各种不同血管组成的网络。这些血管结构在形状和结构上表现出显著的多样性。例如，在血管系统中，血管在健康或病理状态下会表现出不同的结构，如狭窄、分支、迂曲和动脉瘤等。这些血管的复杂结构与独特的血液动力学关联，并对流速、流阻、压力、剪切应力等血流参数产生影响。这些变化的流动行为会直接影响局部生物力学和细胞形态，从而导致显著而独特的内皮细胞表型，包括活化、凝血以及先天性免疫反应等。
为了理解依赖于结构的内皮病理生理学，现有的血管模型系统要么开发不足，要么很难对基本生物学原理进行具体评估。作为一种替代方案，近年兴起的体外器官芯片（OOC）能够以生理相关的方式再现人体器官系统的生理环境。
常用的器官芯片由矩形截面的聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控通道组成，也有设计圆形血管芯片的方法。例如，重力管腔形态生成（GLP）是一种生物制造技术，已被用于血管器官芯片。GLP是一种生物制造策略，它利用粘度明显不同的两种流体之间的表面张力、重力和流体压力的相互作用，在微流控通道内形成圆柱形的管腔。不过，它还没有应用于生成更复杂的血管结构。现有胶原嵌入血管芯片的一个主要局限是缺乏空间相关性，无法研究具有复杂结构的各种血管。目前已有带有分支、狭窄和动脉瘤的微流控器件，但还没有统一而简便的方法来快速创建结构复杂的微血管，包括活体内皮细胞培养和血流的整合。
据麦姆斯咨询介绍，为了更好地捕捉人体真实血管的复杂结构，德克萨斯农工大学生物医学工程系的研究人员开发出了一种可定制的血管芯片，使血管疾病研究和药物发现平台更加精确。
血管芯片是一种在微观尺度上模拟人体血管的微流控器件。血管芯片可以针对特定病人，为药物测试和血流研究提供一种非动物方法。德克萨斯农工大学生物医学工程硕士生Jennifer Lee加入了Abhishek Jain博士的实验室，设计了一种先进的血管芯片，可以复制血管结构的真实变化。
“有的血管有分支，有的血管瘤会突然扩张，还有的血管狭窄会限制血管。所有这些不同类型的血管都会导致血流模式发生显著变化，而血管内部则会受到这些血流模式所造成的剪切应力的影响。”Lee说，“这就是我们想要构建的模型。”
研究人员在血管芯片上复制不同形状的血管
该研究成果已经以“Vascular architecture-on-chip: engineering complex blood vessels for reproducing physiological and heterogeneous hemodynamics and endothelial function”为题发表在Lab on a Chip期刊上。
在这项研究中，研究人员将GLP作为实现血管芯片空间复杂性的统一基础方法。通过两种不同流体所经历的局部压力变化来诱导粘性指进，管腔图案由预GLP微流控通道的形状和大小控制，从而形成形状和大小各异的复杂管腔。利用这种统一的方法，研究人员制造出了具有不同圆柱直径的血管芯片，随后制造了狭窄、动脉瘤、分叉和迂曲特征的血管芯片，并且，这些血管芯片的大小和尺寸复杂程度可以轻松控制和调节。
此外，研究人员还证明这些血管芯片可以进行功能化处理，并用人类内皮细胞进行培养，使其能够作为活病理血管替代物发挥作用，并结合血流和独特的血液动力学模式。
这些易于设计但复杂的血管芯片，揭示了血流介导的内皮功能异质性。例如，内皮细胞会根据血流动力学表现出功能紊乱的形态特征和异常的细胞排列。这些包含复杂结构的血管芯片可作为临床前血管疾病发现、局部给药创新以及细胞-细胞和细胞-药物相互作用机制的微观物理系统。
“我们现在能够以前所未有的方式了解血管疾病。”Jain说，“不仅可以让这些结构变得复杂，还可以把实际的细胞和组织材料放入其中，让它们活起来。这些都是血管疾病的发病部位，因此了解它们至关重要。”
作为一名寻求研究经验的本科优等生，Lee进入了Jain的实验室。Lee说，她对器官芯片平台了解不多，但对其重塑未来医学的潜力很感兴趣。进入研究生阶段后，Lee对血管芯片产生了浓厚的兴趣，并加入了理学硕士快速通道项目，继续她新发现的研究热情。
血管芯片
虽然这种血管芯片的迭代改进了生理相关性，但Jain和Lee希望通过纳入各种细胞类型来扩展他们的研究。Lee的研究目前只使用了内皮细胞，即构成血管内壁的细胞，他们希望加入其它细胞，以观察它们之间的相互作用和血流的影响。
复杂血管芯片的构建及实验研究
Jain说：“我们正在不断进步，创造器官芯片所谓的第四维度，我们不仅关注细胞和流动，还关注它们在更复杂的结构状态下的相互作用，这是该领域研究的一个新方向。”
除了研究经验，Lee还获得了许多软技能，以及将课堂上学到的概念应用到实际经验中的能力。
她说：“这是一个很好的环境，不仅可以与同行交流，还可以与研究生和博士后研究人员交流。我们可以学习团队合作、沟通、职业道德，以及尝试不同的事情。我认为这是学生可以获得的宝贵经验。”
总之，通过调节和控制GLP方法，研究人员设计出了空间上错综复杂的三维血管模型。研究表明，图案化管腔的形状和大小可以通过其外部微流控通道的结构来调节。尽管目前展示的是一些具有代表性的结构及其变化，但该方法可以扩展到人体循环中观察到的各种血管的病理结构模型。
未来，这种方法可用于剖析空间异质细胞信号传导。其中，将周围的基质细胞纳入ECM中，以制作更具生理性的体外血管模型，可以促进我们对动脉粥样硬化的了解。此外，未来有可能纳入患者特定的血管结构和细胞系统，由此可以进行更具个性化的治疗药物测试和开发。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D4LC00968A
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