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導言：動脈粥樣硬化是一種影響全球數百萬人的慢性疾病，可導致心臟病發作、中風和其他心血管并發癥。這種疾病的核心是斑塊在動脈壁內逐漸堆積，導致血流受限、炎癥，最終引發心臟病發作等危急事件。動脈粥樣硬化發生的一個關鍵因素是剪應力，即血流對動脈壁施加的機械力。在層流血流區域，內皮細胞的功能趨于正常。與此相反，內皮細胞功能障礙發生在血流紊亂或振蕩的區域--通常在動脈分叉處，因此這些區域容易形成斑塊。[1]
該圖來源：CC BY 4.0 from Hua Y et al., Front. Cardiovasc. Med. 2022;9:831847.
動脈粥樣硬化的發病機制
剪切應力通過激活內膜層的內皮細胞引發動脈粥樣硬化。這些細胞通常具有保護作用，但在剪切應力的干擾下會變得易滲透，從而允許單核細胞和低密度脂蛋白進入。氧化的低密度脂蛋白形成泡沫細胞，釋放促炎因子，通過ICAM和VCAM吸引更多的單核細胞，形成反饋循環。 這最終導致壞死核心被平滑肌細胞覆蓋，形成纖維帽。
傳統的研究模型，如動物實驗和靜態細胞培養，在復制人體血管生理的復雜動態方面存在局限性。動物模型往往無法準確模擬人體條件，而靜態培養則缺乏剪切應力等基本機械力。這些局限性阻礙了人們全面了解內皮細胞在真實生理環境中的行為方式，因此需要更先進的體外系統。微流控灌流系統通過重現模擬疾病進展所需的生理條件，解決了這些難題。在本篇文章中，我們將探討這些系統如何幫助研究人員更有效地研究動脈粥樣硬化并開辟新的治療途徑。
微流控：動脈粥樣硬化研究的新前沿
微流體灌注系統已成為傳統研究模型的有力替代品。通過使用模仿血管結構的小通道，微流控系統可在動態流動條件下長期培養血管內皮細胞和上皮細胞，使其成為研究動脈粥樣硬化的理想選擇。[2]
例如，ibidi Pump System泵系統/流體剪切力系統就是專為在生理相關條件下進行流動檢測而設計的。該系統使研究人員能夠對培養細胞施加可控水平的剪切應力，模擬細胞在體內所受的力。通過調整流速和模式，科學家可以重現循環系統不同區域的各種血液動力學環境。
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這些系統的一個主要優勢是能夠復制健康和病理流動條件。 在健康血管中，暴露在層流剪切應力下的內皮細胞能保持抗炎特性，防止斑塊形成。然而，在分叉等流動紊亂的區域，內皮細胞會受到低剪切應力或振蕩剪切應力的影響，從而導致功能障礙、炎癥和早期斑塊的形成[3]。通過模擬這些條件，微流控灌注系統為研究動脈粥樣硬化進展背后的細胞機制提供了一個強大的平臺。
該圖來源：CC BY 4.0 from Aitken C et al., Nat. Cardiovasc. Res. 2:517–529, 2023.
血管幾何形狀對血流動力學和內皮細胞健康的影響
在血管的直管段（如降主動脈），血流呈層狀，可促進內皮細胞（EC）健康并抵御動脈粥樣硬化。 與此相反，分叉或彎曲區域（如主動脈弓）的血流模式為低速和振蕩型，這會導致內皮細胞發生病理變化，增加其對動脈粥樣硬化的易感性。微流體灌注系統可以復制這些不同的血流條件，為了解血管功能障礙和疾病進展的內在機制提供幫助。
動脈粥樣硬化微流控模型的關鍵檢測指標
微流體灌注系統提供了研究動脈粥樣硬化所必需的幾種關鍵檢測指標，使研究人員能夠研究內皮細胞（EC）如何隨著時間的推移對各種剪切應力條件做出反應。這些系統模擬了生理流動環境，可以實時觀察細胞的行為和反應，以反映體內情況。
剪切應力引起內皮細胞隨時間發生的細胞變化
細胞形態
在不同的流動條件下，內皮細胞會表現出不同的形態變化，這對血管健康至關重要。在層流區域，細胞與流動方向一致，呈細長形狀。這種排列減少了機械應力，促進了最佳血流。與此相反，在振蕩流動的情況下，細胞會失去排列方向，呈現出更不規則的形狀。這種形態變化與功能障礙和炎癥有關，會破壞正常的信號傳遞，并可能導致動脈粥樣硬化等病癥。
基因表達
流動條件會顯著影響內皮細胞的基因表達。在不同的剪切應力下，內皮細胞可能上調炎癥基因，包括細胞因子和粘附分子，同時還表達促進血管健康的基因，如參與一氧化氮產生的基因。[4]
剪切應力誘導機械傳導的下游效應
該圖來源： CC BY 4.0 from Chien S., Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2007;292
細胞粘附和炎癥
動脈粥樣硬化最早發生的事件之一是免疫細胞粘附到內皮層。 灌流系統使研究人員能夠研究不同的流動環境如何影響ICAM-1和VCAM-1等粘附分子的表達以及免疫細胞的招募。這項研究有助于深入了解炎癥導致斑塊形成和血管疾病進展的機制。
細胞生理學
長期的生理適應包括細胞骨架重排、屏障功能增強和機械硬度增加，這有助于細胞應對持續的剪切應力。這些結構變化有助于提高細胞的完整性，從而影響動脈粥樣硬化的進展。
在藥物開發和治療測試中的應用
通過模擬動脈粥樣硬化的發展條件，這些系統為在受控環境中測試潛在療法的療效提供了一個平臺。 例如，研究人員可以使用灌流系統測試不同的候選藥物在真實的流動條件下如何影響內皮細胞功能、斑塊形成和炎癥[5]。這可以加快藥物開發過程，及早了解治療方法在體內的表現，減少動物試驗的需要，提高臨床試驗成功的可能性。
此外，灌流系統還可用于研究他汀類藥物或抗炎藥物等現有療法如何影響斑塊的發展和消退。通過再現血流的機械力，研究人員可以更好地了解這些療法如何在細胞水平發揮作用，從而開發出更有針對性和更有效的治療方法。
病例研究：用ibidi Pump System泵系統模擬動脈粥樣硬化
Chen B等人[6]所做的題為 "內皮大麻素CB1受體缺陷會降低動脈炎癥和脂質攝取對動脈粥樣硬化剪切應力的反應 "的研究探討了大麻相關信號如何影響心血管健康，特別是內皮CB1受體(CNR1)在動脈粥樣硬化中的作用。研究結果表明，動脈粥樣硬化剪切應力會增加CNR1的表達，從而導致血管功能障礙、炎癥和脂質吸收，加速動脈粥樣硬化病變的形成。研究人員利用ibidi Pump System泵系統模擬了人主動脈內皮細胞（HAoECs）中的振蕩剪切應力，發現這種應力會提高CNR1的表達。他們發現，內皮CB1缺乏與血管炎癥和斑塊堆積的減少有關，這表明靶向外周CB1受體可能是治療動脈粥樣硬化和代謝性疾病的一種有前途的策略，而不會產生中樞副作用。
總之，這些發現強調了內皮CB1在將剪切應力與動脈粥樣硬化中的脂質代謝和炎癥聯系起來方面的重要性，突出了它是緩解疾病進展的潛在靶點。
A：灌注室示意圖和產生剪切應力的機制
靜態和層流剪切應力（LSS）條件下人臍靜脈內皮細胞（HUVEC）的代表性免疫熒光圖像。
B：在HAoECs中進行LDL攝取實驗的工作流程示意圖
用ACEA（CB1激動劑）處理細胞，并在1.5小時的Dil-LDL孵育前暴露于LSS 24小時。采集圖像以分析Dil-LDL攝取。
結論：動脈粥樣硬化研究的未來
隨著心血管研究的不斷發展，微流控系統預計將在了解動脈粥樣硬化的復雜性方面發揮至關重要的作用。這些系統可以精確控制實驗條件，支持高通量分析，使研究人員能夠同時研究多種細胞反應 [2，7]。將先進的成像技術與微流控技術相結合，進一步提高了實時觀察細胞和分子事件的能力，使研究人員能夠捕捉到內皮行為發生的微妙變化[8]。 此外，微流控平臺可以定制，以包括患者衍生細胞，為考慮個體差異的個性化醫學方法鋪平了道路。這種精確性使我們有可能確定導致動脈粥樣硬化的患者特異性因素，從而根據每個人的獨特性量身定制治療方案。未來，微流控技術與人工智能驅動的數據分析相結合，將加速新型藥物靶點和生物標志物的識別，從而改變心血管疾病的診斷、治療和管理方式。最終，微流控系統的不斷發展有望加深人們對血管生物學的理解，推動心血管研究的發展，并在全球范圍內改善患者的治療效果。
參考文獻
[1] Hua, Y., et al., The Induction of Endothelial Autophagy and Its Role in the Development of Atherosclerosis. Frontiers in Cardiovascular Medicine, 2022. 9.
[2] Zheng, H., et al., Microfluidic-based cardiovascular systems for advanced study of atherosclerosis. Journal of Materials Chemistry B, 2024. 12(30): p. 7225-7245.
[3] Aitken, C., et al., Mechanisms of endothelial flow sensing. Nat Cardiovasc Res, 2023. 2(6): p. 517-529.
[4] Chien, S., Mechanotransduction and endothelial cell homeostasis: the wisdom of the cell. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 2007. 292(3): p. H1209-H1224.
[5] Lysyy, T., et al., Ex vivo isolated human vessel perfusion system for the design and assessment of nanomedicines targeted to the endothelium. Bioengineering & Translational Medicine, 2020. 5(2): p. e10154.
[6] Chen, B., et al., Endothelial cannabinoid CB1 receptor deficiency reduces arterial inflammation and lipid uptake in response to atheroprone shear stress. bioRxiv, 2024: p. 2024.05.15.594375.
[7] De Stefano, P., E. Bianchi, and G. Dubini, The impact of microfluidics in high-throughput drug-screening applications. Biomicrofluidics, 2022. 16(3).
[8] Maringanti, R., et al., Atherosclerosis on a Chip: A 3-Dimensional Microfluidic Model of Early Arterial Events in Human Plaques. Arteriosclerosis, Thrombosis, and Vascular Biology. 0(0).
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