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科学家开发出模拟心脏病的器官芯片
时间:2018-01-02 09:57:51来源:科学网
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提要:最近,科学家开发出一种不同的方法:能模拟人类器官功能并且可充当更廉价和更高效工具的器官芯片小型设备。
科学家开发出模拟心脏病的器官芯片

当研究疾病或者测试潜在的药物疗法时,研究人员通常借助于培养皿中的细胞或者利用实验室动物开展的试验。但最近,科学家开发出一种不同的方法:能模拟人类器官功能并且可充当更廉价和更高效工具的器官芯片小型设备。

现在,研究人员创建了一种尤其适合建立动脉粥样硬化模型的新设备。动脉粥样硬化是导致心脏病和中风的首要原因。在一篇1月2日发表于美国物理联合会出版集团所属《应用物理快报—生物工程》杂志的论文中,研究人员展示了新设备如何被用于研究血管细胞中发生的重要炎症反应。这种方式是无法利用动物模型实现的。

“动脉粥样硬化是一种非常重要和复杂的疾病。”新加坡南洋理工大学生物医学工程师Han Wei Hou介绍说。当脂肪、胆固醇和血液中的其他物质形成在动脉壁内层堆积的斑块时,这种疾病便会出现。

理解是什么在调控这种异常的血管收缩,对于研究和治疗血管疾病以及预防急性心肌梗死至关重要。Hou表示,当研究人员此前开发出针对血管的器官芯片模型时,这些设备更多地关注重新创建血管的生物复杂性,而非其形状和几何结构——动脉粥样硬化的关键因素。“该疾病不仅涉及内皮功能紊乱的生物学方面,还和血液流动的生物力学相关。”

为此,研究人员创建了一种装在1平方英寸芯片上的设备。该设备含有两个由很薄的聚合物柔性膜隔开的堆叠腔室。底部含有空气,上方则含有在机械性能上同血液类似的流动流体。研究人员在膜上方充满流体的腔室内生长出排列在血管内部的内皮细胞。随后,他们将空气抽进底部腔室,从而使腔室像气球一样伸展并且形成阻止流体流动的气泡。这一过程模拟了血管收缩。

充满流体的腔室收缩,导致流体在某些区域更快地流动并在另外一些区域流动得更慢。当研究人员在持续但缓慢的流体流动条件下生长细胞时,内皮细胞能长出并表达一种名为ICAM-1的蛋白。该蛋白同炎症存在关联,并且在动脉粥样硬化的发展过程中起到重要作用。

研究人员发现,当用人类血液替代细胞培养基时,更多的被称为单核细胞的免疫细胞在低流速区同内皮细胞结合。单核细胞是导致脂质堆积的主要原因,而脂质堆积最终会发展成引发动脉粥样硬化的斑块。

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作者系徐徐 张铮铮

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