微流控芯片技术在心血管疾病中的应用

心脏是人体最重要的器官之一，它通过血管网络向全身泵血，为组织器官提供营养物质，维持生物系统的体内平衡，一直以来，研究者对心脏生理病理功能的研究均付出了巨大努力，最近，通过仿生方法对心血管疾病的研究已经取得了快速的进展，其中引人注目的是基于微流控芯片技术对心血管疾病的研究。

微流控芯片技术（microfluidicchip）技术于20世纪90年代初被提出，它依托现代微加工、微制造技术，把生物化学领域涉及的样品制备，生物与化学反应，分离与检测等基本操作单元凑到几平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应，并对其产物进行分析，即把实验室搬到芯片上。微流控芯片具有高通量，高灵敏度，低样品消耗以及可控化，自动化等诸多优势。此外，微流控芯片装置还可用于体外模型的构建，临床诊断，以及药物筛选，下面我们将从血管形成，心血管生物动力学功能，药物筛选检测，心脏组织器官模拟四个方面简单归纳目前微流控芯片技术在心血管疾病中的应用现状。

1. 血管形成

由于现有技术及材料难以设计刚性宏观尺管与脆性微量管道之间的连接，所以脉管系统的体外设计一直以来均具有极大的挑战性，但是微流控芯片凭借其独特的微量、流体、可控的优势，可以巧妙解决此类难题，例如，HyunryulRyu研究团队设计了一种毫米级血管，并开发了一种新颖的方法，使用O型水凝胶环培养人成纤维细胞，并与微通道内培养的人脐静脉内皮细胞（HUVEC）直接接触共培养，其中成纤维细胞分泌的生长因子可灵活流动，利用此芯片可成功培养出长达2mm的血管，并可进一步研究生长因子的浓度对血管生成的影响。实验数据证实，这种体外工程化的血管系统参数稳定，可高度模拟体内微血管的生长环境，在正处于飞速发展的人体芯片中可作为将各种器官偶联在一起的血管模块，成为未来人体芯片的一部分。另外AshleighB.Theberge设计了一种平行双通道微流控芯片，实现了巨噬细胞与血管内皮细胞的非直接接触共培养，用以研究巨噬细胞分泌的细胞因子对血管内皮细胞生长的影响。越来越多的证据表明，3D细胞培养，以及多种类型细胞共培养可以弥补原始2D细胞培养的缺憾，使细胞的生长环境更接近于正常生理状态。而塑造仿生组织微环境的关键因素即为脉管系统，为了高度模拟人体组织微环境，AnnaTourovskaia等人开发了3总微流控芯片血管模型，不同模型均拥有可独立灌注的3D管状结构，可供研究人员模拟血管化微环境，此类仿生芯片不仅可用于研究真正的血管发生过程中各生长因子的作用，还可用于药物筛选。

2. 药物筛选

随着国家政府及制药行业对药物研发及应用标准和要求的提高，药物筛选及鉴定过程对动物实验的测试分析需求不断增加，而微流控芯片仿生组织器官的构建可以一定程度上替代动物模型，减缓动物实验的需求量，已经成为用于体外药物评价的革命性的新型平台。LeiLi等人研发了一种使用微流控芯片评估抗高血压药物的简便方法。使用弹性材料－聚二甲基硅氧烷（PDMS）制造了一个可模拟血管微通道结构的微流控芯片。然后，在通道内培养人脐静脉内皮细胞（HUVECs）。可以对细胞施加不同的压力和剪切应力。所产生的血管模拟物可用于评估抗高血压药物的安全性和作用，并以盐酸肼屈嗪为模型药物进行实验。结果表明盐酸肼屈嗪可有效降低压力诱导的内皮细胞功能障碍。这项工作表明，微流体系统提供了一个方便和低成本效益的平台，可用于研究机械压力下细胞对药物的反应。同时我们实验室正在进行的一项研究中，设计了一种多通道浓度梯度发生器芯片，可同时研究不同浓度的多种药物对心肌细胞影响。

3. 心血管生物动力学功能

许多血液病变是由于红细胞变形能力低下导致的，形状可塑性的降低阻碍了细胞通过微血管的转运，而在微血管系统中，红细胞在组织的的氧合作用中发挥重要作用，在EunseopYeom的研究中，使用微流控芯片联合LED光学显微镜研究血液粘稠度对血流动力学的影响，在同一微流体装置中同时测量血液粘度和血流量。为了根据血液流变学特性探索血流量，使用注射泵精确控制血液样品的流速，通过使用微粒图像测速技术测量血流速度曲线，发现速度曲线的形状与血液粘度高度相关。实验结果表明，血液粘度和速度分布的同时测量将有助于了解血液流变特征对毛细管血管血流动力学特征的影响。同时QuanGuo等人设计了一种可精密调控的压力调节器芯片，研究血流动力对红细胞可塑性的影响，并对了解血液流变特征对毛细血管血流动力学特征的影响提供了大量的数据支持。

在另外一种具有互联微通道的生物芯片中，研究者使用可变的血流动力及剪切应力研究镰刀型红细胞贫血（SCA）患者中性粒细胞及红细胞的粘附聚集状态，实验结果证实，SCA患者单独红细胞在通道中没有显著地粘附或阻碍微通道，而中性粒细胞及红细胞混合悬液中的细胞显著地粘附并阻断通道，该体外微流体模型的实验结果证实了白细胞在微环境中启动SCA闭塞过程的重要作用，该芯片的设计接近体内微血管通道，可作为一种易于使用以及可重复使用的体外模型，用于探索在细微通道中多种细胞相互作用的分子机制，同时，该芯片还可用于开发可抑制血管闭塞的药物。

4. 心脏组织器官模拟 

除了简单脉管系统的模拟，基于微流控芯片的现代生物医学足够先进，还可以重现心血管系统的复杂性，微流控芯片心脏体外模型，可模拟心肌细胞的相关生理学特性，重现心肌细胞在生理及病理状态下观察到的机械负载状态，研究血流动力学对心肌细胞的刺激。一种使用聚N－异丙基丙烯酰胺（PIPAAm）和PDMS构建的心室结构仿生芯片，可在不同实验条件下实时测量“心室”的收缩力，动作电位的传播，心肌细胞的肾上腺素剂量敏感性，以及高通量条件下监测细胞骨架结构的变化。同时,另有研究组人员构建了一个类似的基于（PIPAAm）和PDMS的微流控芯片系统，实验数据证实，通过应用循环机械拉伸力，可模拟心脏病理性机械过载现象，在芯片上再现心肌重塑失败的过程，并对其机制进行更深入的探索。

总结及展望

心血管疾病在国内乃至世界范围内均为死亡的主要原因之一，关于该疾病的诊断、治疗及发病机理的研究均有待进一步的提高，因此，了解其疾病机理及药物治疗效能对降低疾病相关的猝死起至关重要的作用。而跨学科研究领域的进步为疾病的研究提供了极大的促进作用，近几年迅速发展的微流控芯片技术凭借其特有的优势为心血管疾病的研究提供了一个极好的平台，从简单到复杂，微流控芯片将不断发展，以突破性的进展加速心血管疾病的研究及治疗。