人體內(nèi)的血管長(zhǎng)期暴露于由于血液流動(dòng)引起的機(jī)械刺激中。根據(jù)血管的類型和發(fā)育年齡的不同,人體內(nèi)的生理剪切力的范圍為1-70 dyne/cm2。剪切力幾乎參與了所有細(xì)胞生命活動(dòng)的調(diào)節(jié),包括細(xì)胞形態(tài)、增殖、分化、遷移等。剪切力的作用對(duì)于血管形成過(guò)程具有重要影響。同時(shí),在血液病、心血管疾病和癌癥等常見的高發(fā)病率疾病中,均發(fā)現(xiàn)了病理性的剪切力失調(diào)現(xiàn)象。例如,在狹窄95%的動(dòng)脈中,剪切應(yīng)力可能大于1000 dyne/cm2。同時(shí),高剪切力可誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)械損傷,導(dǎo)致血管破裂因此不可逆的損傷。因此,了解剪切力對(duì)血管細(xì)胞的作用,可以為心血管相關(guān)疾病的病原學(xué)診斷和治療提供強(qiáng)有力的支撐。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)陳華英教授和金晶副教授聯(lián)合深圳大學(xué)閆昇研究員帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)研制了一種用于體外血栓模型研究的時(shí)空可控剪切應(yīng)力生成微流控芯片。通過(guò)流體力學(xué)水力分析及精準(zhǔn)控制微流控芯片五個(gè)分支通道內(nèi)的截面大小,可以產(chǎn)生1-926倍的剪切力梯度。同時(shí),可以在不同微流控芯片的微通道內(nèi)產(chǎn)生不同的梯度波形。為了驗(yàn)證芯片應(yīng)用潛力,利用該芯片模擬人體內(nèi)生理和病理(如血栓)剪切力模型,研究了在該剪切力微環(huán)境條件下,內(nèi)皮細(xì)胞的響應(yīng)。該成果以“A tempo-spatial controllable microfluidic shear-stress generator forin vitro study of the thrombus model”為題發(fā)表在期刊JOURNAL OF NANOBIOTECHNOLOGY上。
圖1(A)為微流控芯片生成剪切力的原理圖。該微流控芯片為三層結(jié)構(gòu),分別是流體流動(dòng)層(細(xì)胞培養(yǎng))、薄膜層和紫外膠層(如圖1(B)所示)。其主要工作原理是,利用壓力泵將紫外膠注射至紫外膠層內(nèi)。根據(jù)進(jìn)樣壓力與膜變形的關(guān)系,精準(zhǔn)控制膜變形大小,模擬不同的血栓情況。在進(jìn)樣的同時(shí),利用紫外燈照射固定膜的變形完成芯片的制作。隨后,將細(xì)胞由流體流動(dòng)層注入至微流控芯片內(nèi),經(jīng)過(guò)培養(yǎng)后研究剪切力對(duì)細(xì)胞的影響。
圖1 用于血栓模型體外研究的時(shí)空可控微流控剪切應(yīng)力發(fā)生器
精準(zhǔn)控制薄膜變形是準(zhǔn)確控制剪切力的關(guān)鍵。本研究通過(guò)熒光實(shí)驗(yàn),建立了進(jìn)樣壓力與薄膜變形之間的擬合關(guān)系。同時(shí),通過(guò)顯微測(cè)量驗(yàn)證了膜變形的準(zhǔn)確性。另外,利用模擬的方法得到了五個(gè)分支通道的膜變形與流阻之間的關(guān)系,為后續(xù)的微流控芯片的水力分析提供數(shù)據(jù)支撐。
圖2 膜變形與流阻精準(zhǔn)控制
通過(guò)流體力學(xué)流場(chǎng)分析,我們得到了五個(gè)分支通道內(nèi)薄膜變形不同組合產(chǎn)生的流場(chǎng)理論分布。為了研究理論計(jì)算的準(zhǔn)確性,本研究分別使用數(shù)值模擬和微尺度流動(dòng)測(cè)速技術(shù)(Micro-PIV)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明,理論計(jì)算的剪切力梯度與模擬與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果具有較高的一致性??梢岳糜?jì)算的結(jié)果設(shè)計(jì)膜的變形組合,以得到理想的剪切力梯度。
圖3 微流控芯片內(nèi)的流場(chǎng)分析
利用微流控芯片研究剪切力對(duì)細(xì)胞的影響的實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于生理剪切力而言,長(zhǎng)期暴露(24小時(shí))在低于8.3 dyn/cm2的剪切應(yīng)力水平下對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)沒有顯著影響。而細(xì)胞暴露在大于或等于8.3 dyn/cm2的剪切應(yīng)力水平下,顯示出顯著的縱橫比和細(xì)胞排列的變化,其規(guī)律滿足正態(tài)分布。
圖4 線性剪切力梯度、生理剪切力對(duì)細(xì)胞的影響
對(duì)于病理剪切力(血栓)而言,當(dāng)剪切應(yīng)力迅速增加到1000 dyn/cm2時(shí),88.2%的細(xì)胞從基質(zhì)上脫落。因此,對(duì)于嚴(yán)重血栓形成的患者在血栓部位面臨極高的血管損傷風(fēng)險(xiǎn),可能導(dǎo)致出血和卒中等及其嚴(yán)重的情況。此外,剪切力升高可激活血小板聚集,可能加重阻塞的嚴(yán)重程度。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,即使對(duì)于輕度堵塞的患者,長(zhǎng)期暴露于微高剪切應(yīng)力(24小時(shí),16.7 dyn/cm2)也可以誘導(dǎo)細(xì)胞脫離。考慮到50%的血管閉塞患者沒有臨床癥狀,密切關(guān)注剪切力帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。
圖5 病理剪切力作用下,剪切力對(duì)細(xì)胞黏附的影響
綜上所述,本研究開發(fā)的微流控芯片為研究剪切力在生理和病理流動(dòng)條件下對(duì)細(xì)胞的影響提供了一個(gè)強(qiáng)大的工具。該芯片為理解動(dòng)脈粥樣硬化這一重要的心血管疾病的形成機(jī)制提供了寶貴的支撐。通過(guò)模擬和研究剪切誘導(dǎo)的細(xì)胞響應(yīng),研究人員可以深入了解動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展,從而有助于提高對(duì)該疾病的認(rèn)識(shí)并為潛在的治療干預(yù)提供支持。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:用于血栓模型體外研究的時(shí)空可控微流控剪切應(yīng)力生成器
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