近日，國際權(quán)威期刊《自然》（Nature）發(fā)表了一項突破性研究，來自美國佐治亞理工學(xué)院和埃默里大學(xué)Wilbur A. Lam、Yongzhi Qiu研究團隊成功開發(fā)出一種基于水凝膠的“血栓炎癥芯片”（thromboinflammation-on-a-chip）模型。該模型能夠模擬人體微血管中的血栓炎癥動態(tài)過程，并首次實現(xiàn)長達數(shù)月的血栓溶解過程監(jiān)測，為理解微血管疾病機制和藥物開發(fā)提供了全新工具。
水凝膠微流控芯片的制備
水凝膠微流控芯片的制備流程如下：首先通過標(biāo)準光刻技術(shù)制作硅晶圓母模，形成模擬微血管結(jié)構(gòu)的20 μm寬高通道；隨后將含1%瓊脂糖與1%豬皮明膠的MES緩沖液（pH 5.3）注入母模，4°C固化后剝離得到帶微通道的水凝膠層。PDMS適配層經(jīng)三甲氧基丙基硅烷硅烷化及0.5%戊二醛功能化后，涂覆8%明膠溶液形成過渡層，并與水凝膠通道層粘合，貫穿入口和出口。底部水凝膠層由瓊脂糖-明膠混合液夾于硅烷化玻片間4°C固化制成，最終通過EDC-NHS共價鍵合各層，經(jīng)PBS清洗后4°C儲存。該工藝結(jié)合光刻精度與生物材料交聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)微血管仿生結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定構(gòu)建。
圖 1.基于水凝膠的血栓炎癥芯片模型可實現(xiàn)長時間尺度監(jiān)測血栓炎癥的形成及其消退 。
創(chuàng)新模型：突破微血管研究的時空限制
傳統(tǒng)研究受限于微血管的微小尺度（<100微米）和血栓溶解的長期性（數(shù)周至數(shù)月），現(xiàn)有體外模型難以模擬真實生理環(huán)境。本研究通過微流控技術(shù)，在芯片中構(gòu)建了三維管狀微血管網(wǎng)絡(luò)，并在生理剪切力下長期培養(yǎng)內(nèi)皮細胞（長達2個月）。該模型不僅能模擬炎癥誘導(dǎo)的血栓形成，還可實時觀察血栓成分（血小板、中性粒細胞、纖維蛋白）的動態(tài)變化及內(nèi)皮屏障功能的恢復(fù)過程。
研究顯示，腫瘤壞死因子（TNF）的濃度梯度可調(diào)控血栓嚴重程度：低劑量TNF（1 ng/ml）誘導(dǎo)的血栓在21天內(nèi)完全溶解且內(nèi)皮功能恢復(fù)，而高劑量TNF（10 ng/ml）導(dǎo)致部分血栓殘留和內(nèi)皮損傷。這一發(fā)現(xiàn)為臨床評估炎癥程度對預(yù)后的影響提供了量化依據(jù)。
關(guān)鍵機制：中性粒細胞彈性蛋白酶的雙刃劍作用
通過多重RNA熒光原位雜交（RNA-FISH）技術(shù)，團隊發(fā)現(xiàn)炎癥會打破內(nèi)皮細胞的纖溶平衡——TNF上調(diào)纖溶酶原激活物抑制劑（PAI-1），同時下調(diào)組織型纖溶酶原激活劑（tPA）和尿激酶型纖溶酶原激活劑（uPA），從而促進血栓形成。此外，中性粒細胞在血栓溶解中扮演核心角色：其分泌的彈性蛋白酶可降解纖維蛋白，但過量釋放會損傷內(nèi)皮細胞。抑制該酶雖能保護內(nèi)皮，卻會阻礙血栓溶解，凸顯了治療中平衡調(diào)控的重要性。
藥物驗證：精準時間窗與聯(lián)合療法
研究利用該模型評估了多種藥物的療效：
1.tPA早期干預(yù)：血栓形成后3小時內(nèi)給藥可清除纖維蛋白并修復(fù)內(nèi)皮屏障，延遲至6小時則導(dǎo)致“類出血”事件，與臨床卒中治療窗口期一致。
2.去纖維蛋白多核苷酸（defibrotide）：預(yù)防性給藥7天可顯著減少高劑量TNF誘導(dǎo)的血栓形成，且治療后加速纖維蛋白降解。
3.依諾肝素（enoxaparin）：通過保護內(nèi)皮糖萼，抑制高劑量TNF的血栓效應(yīng)，并促進血栓溶解后內(nèi)皮功能恢復(fù)。
4.鐮狀細胞?。⊿CD）治療：聯(lián)合依諾肝素與P-選擇素抗體克里珠單抗（crizanlizumab），可減少中性粒細胞-血小板聚集引起的微血管阻塞，保護內(nèi)皮屏障。
臨床意義：邁向個性化醫(yī)療
該模型首次整合了內(nèi)皮細胞、血流動力學(xué)和長期培養(yǎng)體系，能夠模擬多種疾?。ㄈ缒摱景Y、鐮狀細胞?。┑难ㄑ装Y病理過程。論文通訊作者Wilbur A. Lam指出：“這一平臺不僅解答了基礎(chǔ)科學(xué)問題，還可加速藥物篩選，為個體化治療策略提供依據(jù)?！蔽磥恚瑘F隊計劃進一步研究單核/巨噬細胞在血栓后期修復(fù)中的作用，并探索炎癥因子對中性粒細胞功能的影響。
來源：高分子科學(xué)前沿
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