科學(xué)家開發(fā)出模擬心臟病的器官芯片

當(dāng)研究疾病或者測試潛在的藥物療法時，研究人員通常借助于培養(yǎng)皿中的細(xì)胞或者利用實(shí)驗(yàn)室動物開展的試驗(yàn)。但最近，科學(xué)家開發(fā)出一種不同的方法：能模擬人類器官功能并且可充當(dāng)更廉價和更高效工具的器官芯片小型設(shè)備。

研究人員創(chuàng)建了一種尤其適合建立動脈粥樣硬化模型的新設(shè)備。動脈粥樣硬化是導(dǎo)致心臟病和中風(fēng)的首要原因。在發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)—生物工程》雜志的論文中，研究人員展示了新設(shè)備如何被用于研究血管細(xì)胞中發(fā)生的重要炎癥反應(yīng)。這種方式是無法利用動物模型實(shí)現(xiàn)的。

“動脈粥樣硬化是一種非常重要和復(fù)雜的疾病。”新加坡南洋理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師Han Wei Hou介紹說。當(dāng)脂肪、膽固醇和血液中的其他物質(zhì)形成在動脈壁內(nèi)層堆積的斑塊時，這種疾病便會出現(xiàn)。

理解是什么在調(diào)控這種異常的血管收縮，對于研究和治療血管疾病以及預(yù)防急性心肌梗死至關(guān)重要。Hou表示，當(dāng)研究人員此前開發(fā)出針對血管的器官芯片模型時，這些設(shè)備更多地關(guān)注重新創(chuàng)建血管的生物復(fù)雜性，而非其形狀和幾何結(jié)構(gòu)——動脈粥樣硬化的關(guān)鍵因素。“該疾病不僅涉及內(nèi)皮功能紊亂的生物學(xué)方面，還和血液流動的生物力學(xué)相關(guān)。”

為此，研究人員創(chuàng)建了一種裝在1平方英寸芯片上的設(shè)備。該設(shè)備含有兩個由很薄的聚合物柔性膜隔開的堆疊腔室。底部含有空氣，上方則含有在機(jī)械性能上同血液類似的流動流體。研究人員在膜上方充滿流體的腔室內(nèi)生長出排列在血管內(nèi)部的內(nèi)皮細(xì)胞。隨后，他們將空氣抽進(jìn)底部腔室，從而使腔室像氣球一樣伸展并且形成阻止流體流動的氣泡。這一過程模擬了血管收縮。

充滿流體的腔室收縮，導(dǎo)致流體在某些區(qū)域更快地流動并在另外一些區(qū)域流動得更慢。當(dāng)研究人員在持續(xù)但緩慢的流體流動條件下生長細(xì)胞時，內(nèi)皮細(xì)胞能長出并表達(dá)一種名為ICAM-1的蛋白。該蛋白同炎癥存在關(guān)聯(lián)，并且在動脈粥樣硬化的發(fā)展過程中起到重要作用。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用人類血液替代細(xì)胞培養(yǎng)基時，更多的被稱為單核細(xì)胞的免疫細(xì)胞在低流速區(qū)同內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合。單核細(xì)胞是導(dǎo)致脂質(zhì)堆積的主要原因，而脂質(zhì)堆積最終會發(fā)展成引發(fā)動脈粥樣硬化的斑塊。