《Science Bulletin》：The FLOW Framework: a panvascular-on-a-chip platform to model systemic disease and guide panvascular interventional device suitcordance
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本文系统介绍了FLOW框架——一种基于器官芯片技术的全血管芯片平台，该平台通过高保真血流动力学重建、纵向生理监测、全血管床建模和全空间3D交互工作流四大模块，实现了对泛血管疾病的精准模拟和介入器械的“适配性”评估，为心血管介入治疗提供了革命性的研究范式。
泛血管疾病研究的革命性工具：FLOW框架下的全血管芯片平台
泛血管疾病的挑战与FLOW框架的提出
泛血管疾病是以动脉粥样硬化为共同病理特征的全身性血管病变，已成为人类健康的“头号杀手”。这类疾病病程长、多器官受累且存在复杂的器械-血管相互作用，使得传统体外和体内模型在模拟高保真血流动力学、长期监测和多血管床异质性方面存在明显不足。为应对这些挑战，FLOW框架应运而生。该框架基于器官芯片技术，整合了四个核心模块：高保真血流动力学重建、纵向生理监测、全血管床建模和全空间3D交互工作流，旨在体外重现真实血液在血管网络中动态流动的过程。
为何器官芯片平台适用于泛血管疾病研究？
与传统2D细胞培养、3D细胞培养和动物模型相比，器官芯片技术在实验可控性和生理相关性方面具有独特优势。FLOW框架的核心优势在于：
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高保真血流动力学重建：通过微流体技术精确控制剪切应力和搏动性血流，模拟生理或病理状态下的血流环境，为评估介入器械（如支架、瓣膜）植入后的局部血流变化提供了精确环境。
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纵向生理监测：集成微传感器实现代谢产物和理化参数的实时、原位监测，能够动态追踪内皮化、炎症反应等慢性过程，评估器械的长期生物相容性。
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全血管床建模：支持多血管床及其共存病变环境的模拟，重建泛血管系统中的关键相互作用通路，评估器械干预在单一病灶引发的系统性效应。
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全空间3D交互工作流：构建三维动态交互环境，可直接观察器械在模拟动态血流下的展开、贴壁及与血管壁的机械相互作用，实现“器械-血管壁-血流”相互作用的精确模拟。
FLOW框架的宏观构建基础
FLOW框架的实现依赖于微加工、材料选择和系统设计等核心构建技术的完善与整合。
F模块构建：高保真血流动力学重建
微流体技术是实现高保真血流动力学重建的关键。该系统可在微尺度上精确控制流体，模拟体内的血流、氧梯度、剪切应力等动态环境。通过可编程气动或蠕动微泵结合柔性通道材料，可实现仿生搏动性血流，再现心脏样搏动和血管壁变形。
L模块构建：纵向生理监测
稳定的微环境调控是长期生理监测的基础。集成光学、电学和电化学传感模块，可连续监测乳酸、葡萄糖、氧、活性氧、细胞因子等代谢产物以及pH值、温度等理化参数。这些传感模块能够动态追踪慢性炎症和内皮化过程，监测材料降解动力学，评估器械-血管相互作用的长期生物相容性。
O模块构建：全血管床建模
患者来源的原代细胞、成体干细胞分化产物或人诱导多能干细胞为构建特异性器官功能细胞提供了可能。通过微流体互连接口、血管化类器官串联链接和机械/代谢耦合设计，可支持多个血管床共存病变的模拟，实现“血管狭窄-器官缺血”的级联研究。
W模块构建：全空间3D交互工作流
准确的结构设计是构建生理相关血管模型的基础。聚二甲基硅氧烷等弹性透明材料允许精确复制微血管几何形状，而多层架构可重现血管层的顺应性梯度。软光刻或3D生物打印技术可用于制造具有解剖学真实性的血管网络。天然聚合物（如胶原蛋白、藻酸盐）和合成聚合物（如聚乳酸、聚乳酸-乙醇酸共聚物）水凝胶材料可作为填充基质，平衡机械稳定性与生物功能性。
OoC平台在泛血管疾病及介入器械开发中的应用
动脉粥样硬化及其下游疾病模拟
动脉粥样硬化是泛血管疾病的主要病理特征。器官芯片平台通过构建多细胞共培养系统，可模拟血流扰动和免疫炎症两个关键点。例如，通过设计具有不同狭窄几何形状的微通道，研究不同闭塞程度下的流动扰动和壁剪切应力，总结血流介导的内皮功能障碍。此外，通过添加炎症因子和氧化低密度脂蛋白，可模拟动脉粥样硬化的早期炎症和高脂血症环境。
动脉粥样硬化进展可导致下游疾病，如心肌梗死、卒中和糖尿病足。心肌缺血芯片通过三维共培养人诱导多能干细胞来源的心肌细胞和人心肌成纤维细胞，结合低氧环境，模拟心肌缺血条件。神经血管单元芯片则可模拟卒中条件下的血脑屏障完整性破坏和线粒体功能障碍。糖尿病足芯片则通过整合成纤维细胞、巨噬细胞和内皮细胞，构建3D血管网络，模拟伤口炎症微环境。
血栓形成的模拟
血栓形成是血管内皮损伤、血流异常或血液高凝状态的终末结局。芯片平台可模拟血管结构和功能，研究血栓形成的初始阶段、血小板活化聚集及内皮调节机制。光控血栓形成技术可在特定内皮区域精确触发和调节血栓，结合动态显微成像，可评估抗血栓药物的效果。血栓炎症芯片模型可实现微血管血栓炎症形成和消退的长期动态监测，揭示中性粒细胞在血栓消退中的核心作用。
介入器械的优化前景
FLOW平台特别适合对可降解支架等介入器械进行系统评估。F模块重现生理搏动负荷和流固耦合，测试机械耐久性；L模块提供长期、多模式原位传感，量化降解产物的时间曲线和下游生物学读数；O模块支持不同血管床或患者特异性细胞环境的并行建模；W模块允许在解剖学真实的多层构建体中进行测试。这些功能允许直接比较有机和无机可降解支架，指导聚合物组成、合金化、表面涂层或药物释放策略的合理选择，以改善器械的适配性。
未来应用前景：构建全血管芯片实现从机制到临床的范式转变
未来，随着制造技术的不断创新，全血管芯片研究将向长期培养与时空压缩、标准化与自动化、基因编辑与患者特异性建模结合等方向发展。通过充分利用全血管芯片，将进一步阐明血管系统水平上组织级和器官级病变的级联放大机制，推动泛血管疾病治疗从“单器官孤立系统”向“多器官系统网络”的范式转变。
总结与展望
总之，全血管芯片技术通过其FLOW框架，为泛血管研究带来了范式突破：成功构建高度模拟的模型来模拟动脉粥样硬化和血栓形成等病理状态及其真实流动状态；有望实现介入器械性能的实时动态评估，在“适配性”概念指导下量化器械与血管在力学、细胞和理化免疫方面的多维短期适应性和长期一致性，最终推进器械-血管命运共同调控的长期愿景。随着多学科融合的深入，这些平台将在阐明疾病机制、赋能精准医疗、创新介入器械和加速新药研发方面发挥核心作用。
