微流控可灌注病理血管芯片：动脉粥样硬化药物筛选的新平台

本研究针对现有体外动脉粥样硬化（AS）模型难以模拟血流动力学特性的瓶颈，开发了一种三维可灌注动脉粥样硬化血管芯片（3D-PAVoC）平台。该平台通过整合内皮细胞和平滑肌细胞，在流体剪切力作用下成功模拟了血管结构和疾病微环境，并证实雷帕霉素（RAP）在病理条件下具有更高半数抑制浓度（IC50）。该研究为抗AS药物筛选提供了更接近体内环境的评价体系，显著提升了药物预测的准确性。

　　

心血管疾病是全球健康的头号杀手，每年导致超过千万人死亡，而动脉粥样硬化（Atherosclerosis, AS）正是其主要病理基础。这种慢性血管病变就像血管内壁悄悄筑起的"违章建筑"，由脂质代谢紊乱、慢性炎症和血管损伤共同促成。当前科学家们在实验室研究AS时面临巨大挑战：传统二维细胞培养模型缺乏三维结构和血流动力学刺激，而动物模型又存在物种差异和实验复杂性高的局限。特别是在药物研发领域，如何构建能够真实模拟人体血管环境和血流特征的实验平台，成为制约抗AS药物开发的关键瓶颈。

为了打破这一僵局，研究人员在《Research》杂志上报道了一项创新成果——开发出三维可灌注病理血管芯片（3D perfusable atherosclerotic vessel-on-a-chip, 3D-PAVoC）平台。这项研究通过微流控技术与组织工程方法的巧妙结合，成功创建了能够模拟血管结构、血液循环和疾病微环境的新型实验体系。

研究团队运用多项关键技术方法开展此项工作：首先设计并组装了聚二甲基硅氧烷（PDMS）微流控芯片系统，通过等离子处理和聚赖氨酸涂层改性提升材料亲水性；利用甲基丙烯酸酯化明胶（GelMA）水凝胶构建三维支架，封装平滑肌细胞（SMCs）形成血管中膜；通过移除中心钢针形成可灌注通道，并在内表面种植人脐静脉内皮细胞（HUVECs）模拟血管内膜；集成外置泵系统实现培养基持续灌注（流速20 μl/h）；应用炎症因子（TNF-α和IL-1β）和氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）刺激创建病理微环境；采用共聚焦显微镜、蛋白质组学和转录组学技术进行多维评估；最后通过载脂蛋白E基因敲除（ApoE^?/?）小鼠模型进行体内验证。

Architectured 3D-PAVoC with fluid flow enhancing the biological performance of ECs and SMCs

研究人员首先构建了具有流体灌注功能的三维血管芯片（3D-PVoC）。通过计算流体动力学模拟发现，在培养液和模拟血液灌注条件下，芯片内雷诺数均保持较低水平，表明流体处于层流状态。更重要的是，与静态培养相比，流体灌注显著提高了HUVECs的存活率（通过活/死染色验证），并促进了内皮细胞的血管生成能力——经过24小时灌注培养后，细胞连接总数增加7.2倍，平均血管长度增加2.3倍，血管密度增加2.9倍。蛋白质组学分析进一步揭示，3D-PVoC中的细胞高表达α-2-巨球蛋白（A2M）、血小板反应蛋白-1（THBS1）和VI型胶原α3链（COL6A3）等与细胞外基质（ECM）重塑和细胞增殖相关的蛋白，表明该模型更能模拟体内血管的生物学特性。

The established 3D-PAVoC achieving higher fidelity to pathological features

在成功构建基础血管芯片后，研究人员通过灌注ox-LDL（50 μg/ml）、TNF-α（2 ng/ml）和IL-1β（2 ng/ml）创建病理微环境，形成了真正的3D-PAVoC模型。酶联免疫吸附测定（ELISA）结果显示，与2D培养模型和正常3D-PVoC相比，3D-PAVoC中的ox-LDL滞留和活性氧（ROS）产生显著增加，胆固醇（CH）和甘油三酯（TG）水平也明显升高，这些变化都与AS的病理特征相符。转录组和蛋白质组分析发现，3D-PAVoC中多种炎症相关基因（如烟酰胺磷酸核糖基转移酶、S100钙结合蛋白A4和THBS1）显著上调，ECM组织和胶原-containing ECM通路明显富集，准确再现了AS病变中的关键分子事件。

The engineered 3D-PAVoC with circulating pathological conditions enhancing the drug screening efficacy

研究人员选择雷帕霉素（RAP）作为模型药物评估3D-PAVoC的药筛性能。有趣的是，在2D培养模型中，RAP对HUVECs和SMCs共培养细胞的半数抑制浓度（IC₅₀）为32.69 μM，而在3D-PAVoC中升高至55.36 μM，在3D-PVoC（无病理刺激）中更是高达140.2 μM。这种差异表明3D环境特别是病理微环境会影响药物敏感性，更接近体内实际情况，凸显了3D-PAVoC平台在药物评价方面的优势。

Altered GO functions and KEGG pathways in response to the drug treatment

通过基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路分析，研究人员深入探索了RAP的作用机制。研究发现RAP处理显著影响了细胞周期相关基因（如UBE2C、FBXO5和RRM2）的表达，并上调了热休克蛋白A8（HSPA8）、热休克蛋白90α家族A类成员1（HSP90AA1）和血红素氧合酶-1（HMOX1）等细胞应激保护基因。通路分析显示，RAP通过调节流体剪切应力与AS通路、HIF-1信号通路、焦点粘连和白细胞跨内皮迁移等关键通路发挥治疗作用。这些发现从分子水平揭示了RAP的抗AS机制，包括抑制平滑肌细胞异常增殖、减轻炎症反应和促进血管修复等多重作用。

Anti-atherosclerotic efficacy of RAP in vivo

最后，研究团队将3D-PAVoC平台确定的RAP有效浓度（55.36 μM）应用于ApoE^?/?小鼠模型进行体内验证。经过4周治疗后，超声检查显示RAP处理组小鼠主动脉壁增厚和管腔狭窄明显减轻。组织学分析进一步证实，与生理盐水对照组相比，RAP治疗显著减少了主动脉全程油红O（ORO）阳性斑块面积，降低了斑块内坏死核心区域，增加了胶原含量（通过Masson三色染色显示），并减少了CD68阳性巨噬细胞浸润。这些结果不仅验证了RAP的抗AS效果，也证明了3D-PAVoC平台在预测药物体内疗效方面的可靠性。

研究结论与讨论部分强调，这项研究成功开发了一种能够模拟血流动力学特性和病理微环境的3D可灌注AS血管芯片平台。该平台不仅克服了传统2D模型和静态3D模型的局限性，还能更准确地预测药物反应和机制。通过多组学分析，研究揭示了RAP通过调控炎症反应、ECM重塑和细胞增殖等多条通路发挥抗AS作用的分子机制。值得注意的是，基于3D-PAVoC平台确定的RAP有效浓度在动物模型中显示出良好的治疗效果，证明了该平台在临床前药物筛选和剂量优化方面的应用潜力。

尽管3D-PAVoC平台在模拟早期AS微环境方面表现出色，研究人员也指出了当前模型的一些局限性，例如缺乏单核细胞来源的巨噬细胞直接灌注，无法动态观察免疫细胞-内皮细胞相互作用。未来研究可通过整合更多细胞类型和信号通路，进一步优化平台性能，甚至构建多器官芯片系统，用于研究AS的全身性效应和器官间通讯。

总之，这项研究开发的3D-PAVoC平台为AS研究和新药筛选提供了更加生理相关的实验体系，有望显著提高药物研发的效率和成功率，推动心血管疾病治疗领域的进步。