心臟是人體最重要的器官之一，它通過血管網(wǎng)絡(luò)向全身泵血，為組織器官提供營養(yǎng)物質(zhì)，維持生物系統(tǒng)的體內(nèi)平衡，一直以來，研究者對心臟生理病理功能的研究均付出了巨大努力，最近，通過仿生方法對心血管疾病的研究已經(jīng)取得了快速的進展，其中引人注目的是基于微流控芯片技術(shù)對心血管疾病的研究。
微流控芯片技術(shù)（microfluidicchip）技術(shù)于20世紀90年代初被提出，它依托現(xiàn)代微加工、微制造技術(shù)，把生物化學(xué)領(lǐng)域涉及的樣品制備，生物與化學(xué)反應(yīng)，分離與檢測等基本操作單元湊到幾平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化學(xué)反應(yīng)，并對其產(chǎn)物進行分析，即把實驗室搬到芯片上。微流控芯片具有高通量，高靈敏度，低樣品消耗以及可控化，自動化等諸多優(yōu)勢。此外，微流控芯片裝置還可用于體外模型的構(gòu)建，臨床診斷，以及藥物篩選，下面我們將從血管形成，心血管生物動力學(xué)功能，藥物篩選檢測，心臟組織器官模擬四個方面簡單歸納目前微流控芯片技術(shù)在心血管疾病中的應(yīng)用現(xiàn)狀。
1. 血管形成
由于現(xiàn)有技術(shù)及材料難以設(shè)計剛性宏觀尺管與脆性微量管道之間的連接，所以脈管系統(tǒng)的體外設(shè)計一直以來均具有極大的挑戰(zhàn)性，但是微流控芯片憑借其獨特的微量、流體、可控的優(yōu)勢，可以巧妙解決此類難題，例如，HyunryulRyu研究團隊設(shè)計了一種毫米級血管，并開發(fā)了一種新穎的方法，使用O型水凝膠環(huán)培養(yǎng)人成纖維細胞，并與微通道內(nèi)培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）直接接觸共培養(yǎng)，其中成纖維細胞分泌的生長因子可靈活流動，利用此芯片可成功培養(yǎng)出長達2mm的血管，并可進一步研究生長因子的濃度對血管生成的影響。實驗數(shù)據(jù)證實，這種體外工程化的血管系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定，可高度模擬體內(nèi)微血管的生長環(huán)境，在正處于飛速發(fā)展的人體芯片中可作為將各種器官偶聯(lián)在一起的血管模塊，成為未來人體芯片的一部分。另外AshleighB.Theberge設(shè)計了一種平行雙通道微流控芯片，實現(xiàn)了巨噬細胞與血管內(nèi)皮細胞的非直接接觸共培養(yǎng)，用以研究巨噬細胞分泌的細胞因子對血管內(nèi)皮細胞生長的影響。越來越多的證據(jù)表明，3D細胞培養(yǎng)，以及多種類型細胞共培養(yǎng)可以彌補原始2D細胞培養(yǎng)的缺憾，使細胞的生長環(huán)境更接近于正常生理狀態(tài)。而塑造仿生組織微環(huán)境的關(guān)鍵因素即為脈管系統(tǒng)，為了高度模擬人體組織微環(huán)境，AnnaTourovskaia等人開發(fā)了3總微流控芯片血管模型，不同模型均擁有可獨立灌注的3D管狀結(jié)構(gòu)，可供研究人員模擬血管化微環(huán)境，此類仿生芯片不僅可用于研究真正的血管發(fā)生過程中各生長因子的作用，還可用于藥物篩選。
2. 藥物篩選
隨著國家政府及制藥行業(yè)對藥物研發(fā)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和要求的提高，藥物篩選及鑒定過程對動物實驗的測試分析需求不斷增加，而微流控芯片仿生組織器官的構(gòu)建可以一定程度上替代動物模型，減緩動物實驗的需求量，已經(jīng)成為用于體外藥物評價的革命性的新型平臺。LeiLi等人研發(fā)了一種使用微流控芯片評估抗高血壓藥物的簡便方法。使用彈性材料－聚二甲基硅氧烷（PDMS）制造了一個可模擬血管微通道結(jié)構(gòu)的微流控芯片。然后，在通道內(nèi)培養(yǎng)人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs）。可以對細胞施加不同的壓力和剪切應(yīng)力。所產(chǎn)生的血管模擬物可用于評估抗高血壓藥物的安全性和作用，并以鹽酸肼屈嗪為模型藥物進行實驗。結(jié)果表明鹽酸肼屈嗪可有效降低壓力誘導(dǎo)的內(nèi)皮細胞功能障礙。這項工作表明，微流體系統(tǒng)提供了一個方便和低成本效益的平臺，可用于研究機械壓力下細胞對藥物的反應(yīng)。同時我們實驗室正在進行的一項研究中，設(shè)計了一種多通道濃度梯度發(fā)生器芯片，可同時研究不同濃度的多種藥物對心肌細胞影響。
3. 心血管生物動力學(xué)功能
許多血液病變是由于紅細胞變形能力低下導(dǎo)致的，形狀可塑性的降低阻礙了細胞通過微血管的轉(zhuǎn)運，而在微血管系統(tǒng)中，紅細胞在組織的的氧合作用中發(fā)揮重要作用，在EunseopYeom的研究中，使用微流控芯片聯(lián)合LED光學(xué)顯微鏡研究血液粘稠度對血流動力學(xué)的影響，在同一微流體裝置中同時測量血液粘度和血流量。為了根據(jù)血液流變學(xué)特性探索血流量，使用注射泵精確控制血液樣品的流速，通過使用微粒圖像測速技術(shù)測量血流速度曲線，發(fā)現(xiàn)速度曲線的形狀與血液粘度高度相關(guān)。實驗結(jié)果表明，血液粘度和速度分布的同時測量將有助于了解血液流變特征對毛細管血管血流動力學(xué)特征的影響。同時QuanGuo等人設(shè)計了一種可精密調(diào)控的壓力調(diào)節(jié)器芯片，研究血流動力對紅細胞可塑性的影響，并對了解血液流變特征對毛細血管血流動力學(xué)特征的影響提供了大量的數(shù)據(jù)支持。
在另外一種具有互聯(lián)微通道的生物芯片中，研究者使用可變的血流動力及剪切應(yīng)力研究鐮刀型紅細胞貧血（SCA）患者中性粒細胞及紅細胞的粘附聚集狀態(tài)，實驗結(jié)果證實，SCA患者單獨紅細胞在通道中沒有顯著地粘附或阻礙微通道，而中性粒細胞及紅細胞混合懸液中的細胞顯著地粘附并阻斷通道，該體外微流體模型的實驗結(jié)果證實了白細胞在微環(huán)境中啟動SCA閉塞過程的重要作用，該芯片的設(shè)計接近體內(nèi)微血管通道，可作為一種易于使用以及可重復(fù)使用的體外模型，用于探索在細微通道中多種細胞相互作用的分子機制，同時，該芯片還可用于開發(fā)可抑制血管閉塞的藥物。
4. 心臟組織器官模擬
除了簡單脈管系統(tǒng)的模擬，基于微流控芯片的現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)足夠先進，還可以重現(xiàn)心血管系統(tǒng)的復(fù)雜性，微流控芯片心臟體外模型，可模擬心肌細胞的相關(guān)生理學(xué)特性，重現(xiàn)心肌細胞在生理及病理狀態(tài)下觀察到的機械負載狀態(tài)，研究血流動力學(xué)對心肌細胞的刺激。一種使用聚N－異丙基丙烯酰胺（PIPAAm）和PDMS構(gòu)建的心室結(jié)構(gòu)仿生芯片，可在不同實驗條件下實時測量“心室”的收縮力，動作電位的傳播，心肌細胞的腎上腺素劑量敏感性，以及高通量條件下監(jiān)測細胞骨架結(jié)構(gòu)的變化。同時,另有研究組人員構(gòu)建了一個類似的基于（PIPAAm）和PDMS的微流控芯片系統(tǒng)，實驗數(shù)據(jù)證實，通過應(yīng)用循環(huán)機械拉伸力，可模擬心臟病理性機械過載現(xiàn)象，在芯片上再現(xiàn)心肌重塑失敗的過程，并對其機制進行更深入的探索。
總結(jié)及展望
心血管疾病在國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)均為死亡的主要原因之一，關(guān)于該疾病的診斷、治療及發(fā)病機理的研究均有待進一步的提高，因此，了解其疾病機理及藥物治療效能對降低疾病相關(guān)的猝死起至關(guān)重要的作用。而跨學(xué)科研究領(lǐng)域的進步為疾病的研究提供了極大的促進作用，近幾年迅速發(fā)展的微流控芯片技術(shù)憑借其特有的優(yōu)勢為心血管疾病的研究提供了一個極好的平臺，從簡單到復(fù)雜，微流控芯片將不斷發(fā)展，以突破性的進展加速心血管疾病的研究及治療。
作者：王琪，劉芬單位：大連醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院文章轉(zhuǎn)載自：365醫(yī)學(xué)網(wǎng)轉(zhuǎn)載僅供參考學(xué)習(xí)及傳遞有用信息，版權(quán)歸原作者所有，如侵犯權(quán)益，請聯(lián)系刪除