NTU 学者研制出用于研究血管疾病的3D模型

近日，来自来自新加坡南洋理工大学和陈笃生医院 (TTSH) 的新加坡科学家和临床医生团队们开发出了人体动脉血管壁的 3D 模型，被认为是能够对未来研究人类血管和人体结构产生帮助。

人体血管3D模型

近日，来自来自新加坡南洋理工大学（NTU）和陈笃生医院 (TTSH) 的新加坡科学家和临床医生团队们共同开发出了可视化的人体动脉血管壁的三维 (3D) 模型。该模型被称为“arterial wall-on-a-chip”，它将帮助研究人员更好地研究动脉粥样硬化（即胆固醇和炎症细胞在血管壁上形成斑块，导致血管狭窄和收缩血流，导致心血管疾病）等一系列心脑血管疾病。

模型示意图

心脑血管疾病是心脏血管和脑血管疾病的统称，泛指由于高脂血症、血液黏稠、动脉粥样硬化、高血压等所导致的心脏、大脑及全身组织发生的缺血性或出血性疾病。

这是一种严重威胁人类，特别是50岁以上中老年人健康的常见病，具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点，即使应用目前最先进、完善的治疗手段，仍可有50%以上的脑血管意外幸存者生活不能完全自理，全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1500万人，居全球各种人类死因首位。在新加坡，每年约有三分之一的人死于心脏病或中风。

血管

这个3D模型就像一个三明治。它包括血管平滑肌细胞的三维培养，中间的软凝胶层，以及排列在心脏和血管内部的一层内皮细胞。这最后一层控制着血液和周围组织之间的分子交换。

该团队使用这种新的微流控芯片，模拟动脉壁的横截面，来研究氧化应激对血管的影响，这通常是由高胆固醇（高脂血症）和炎症等情况引起的。当自由基和抗氧化剂的不平衡时，人体就会发生氧化应激。自由基是在身体的自然代 谢过程中产生的，而抗氧化剂通过中和这些自由基来保护细胞和组织。

这项研究被发表在相关期刊 “Lab on a Chip” 上，研究发现，随着氧化应激的增加，动脉中层的平滑肌细胞向内移动，导致动脉内部内皮层的炎症（见下图：动脉墙的结构）。内皮层上还有更多的 “坏胆固醇” （bad cholesterol）或低密度脂蛋白（LDL）胆固醇和免疫细胞（white blood cells）的积累，这有助于动脉粥样硬化期间的血管硬化和斑块生长。

动脉墙的结构

这是学界第一次在3D模型中观察到上述影响，因为之前对动脉粥样硬化的研究是使用动物模型或二维(2D)细胞培养进行的，这并不能完全揭示平滑肌细胞与内皮层之间的相互作用。

该研究是由NTU机械与航空航天工程学院助理教授Hou Han Wei和陈笃生医院内分泌学高级顾问、李光前医学院副教授Rinkoo Dalan带领的跨学科团队与NTU材料科学与工程学院助理教授Dalton Tay等共同合作完成的。

已发表文章

相关评价

该研究的主要作者之一，NTU的Hou Han Wei助理教授说：“我们的 “arterial wall-on-a-chip” 模型可以帮助临床医生更好地了解动脉粥样硬化开始时血管功能障碍的基础生物学和条件，及其进展中所涉及的不同过程，从而可以制定出早期干预动脉粥样硬化的新策略。”

Hou Han Wei助理教授

另一位主要作者，NTU李光前医学院的Dalan副教授表示，亚洲拥有全球最高的心脑血管疾病致死率，“尽管在治疗方面取得了显著进展，但与动脉粥样硬化相关的死亡率和发病率仍然很高。在患有糖尿病和高血压等多种疾病的典型患者中，了解动脉粥样硬化的疾病机制和过程的需求尚未得到满足。这种动脉血管壁芯片的开发使我们能够研究不同条件下动脉粥样硬化的过程、治疗方案以及药物组合可能产生的影响，这将具有广泛的应用前景。”

*本文图片来源：NTU官网，Lab on a Chip Blog，Nature

参考文献：

1. "Singapore researchers develop novel 3D model to study vasculardiseases" NTU Media Release;

2. Paper titled: “A novel human arterial wall-on-a-chip to study endothelial inflammationand vascular smooth muscle cell migration in early atherosclerosis”, published inRoyal Society’s Lab on a Chip, Issue 12, 21 June 2021.https://doi.org/10.1039/D1LC00131K