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(jìn)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(jì)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(jìn)行分析，即把實(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)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(jì)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(dú)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(xì)胞，并與微通道內(nèi)培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVEC）直接接觸共培養(yǎng)，其中成纖維細(xì)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(dá)2mm的血管，并可進(jìn)一步研究生長因子的濃度對血管生成的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，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(jì)了一種平行雙通道微流控芯片，實(shí)現(xiàn)了巨噬細(xì)胞與血管內(nèi)皮細(xì)胞的非直接接觸共培養(yǎng)，用以研究巨噬細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子對血管內(nèi)皮細(xì)胞生長的影響。越來越多的證據(jù)表明，3D細(xì)胞培養(yǎng)，以及多種類型細(xì)胞共培養(yǎng)可以彌補(bǔ)原始2D細(xì)胞培養(yǎng)的缺憾，使細(xì)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(dú)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的需求量，已經(jīng)成為用于體外藥物評價(jià)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(gè)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(xì)胞（HUVECs）。可以對細(xì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(xì)胞功能障礙。這項(xiàng)工作表明，微流體系統(tǒng)提供了一個(gè)方便和低成本效益的平臺，可用于研究機(jī)械壓力下細(xì)胞對藥物的反應(yīng)。同時(shí)我們實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了一種多通道濃度梯度發(fā)生器芯片，可同時(shí)研究不同濃度的多種藥物對心肌細(xì)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(xì)胞變形能力低下導(dǎo)致的，形狀可塑性的降低阻礙了細(xì)胞通過微血管的轉(zhuǎn)運(yùn)，而在微血管系統(tǒng)中，紅細(xì)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，血液粘度和速度分布的同時(shí)測量將有助于了解血液流變特征對毛細(xì)管血管血流動力學(xué)特征的影響。同時(shí)QuanGuo等人設(shè)計(jì)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(xì)胞可塑性的影響，并對了解血液流變特征對毛細(xì)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(xì)胞貧血（SCA）患者中性粒細(xì)胞及紅細(xì)胞的粘附聚集狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，SCA患者單獨(dú)紅細(xì)胞在通道中沒有顯著地粘附或阻礙微通道，而中性粒細(xì)胞及紅細(xì)胞混合懸液中的細(xì)胞顯著地粘附并阻斷通道，該體外微流體模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了白細(xì)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(jì)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(xì)微通道中多種細(xì)胞相互作用的分子機(jī)制，同時(shí)，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(jìn)，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(xì)胞的相關(guān)生理學(xué)特性，重現(xiàn)心肌細(xì)胞在生理及病理狀態(tài)下觀察到的機(jī)械負(fù)載狀態(tài)，研究血流動力學(xué)對心肌細(xì)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(shí)驗(yàn)條件下實(shí)時(shí)測量“心室”的收縮力，動作電位的傳播，心肌細(xì)胞的腎上腺素劑量敏感性，以及高通量條件下監(jiān)測細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)的變化。同時(shí),另有研究組人員構(gòu)建了一個(gè)類似的基于（PIPAAm）和PDMS的微流控芯片系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證實(shí)，通過應(yīng)用循環(huán)機(jī)械拉伸力，可模擬心臟病理性機(jī)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(jī)制進(jìn)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(jī)理的研究均有待進(jìn)一步的提高，因此，了解其疾病機(jī)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(jìn)步為疾病的研究提供了極大的促進(jìn)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(gè)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(jìn)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