對於研究心血管疾病的成因和預防方法,未來將不僅局限於解剖老鼠或在培養皿中培養心臟細胞。在新加坡南洋理工大學(Nanyang Technological University),醫學研究人員正嘗試利用一款新開發的微機電系統(MEMS)微流體晶片,來實現這一目標。

該晶片模擬了當脂肪和膽固醇積聚在內部動脈壁斑塊時,動脈中的精確血流情況。在活組織中,由此產生的動脈粥狀硬化(atherosclerosis)限制血液流動,並可能導致心臟病發作。該晶片的關鍵在於能夠模擬心臟血管細胞的發炎反應——這種反應可能導致血液供應阻斷。如果這些反應能被抑制,那麼心臟病就不會發生。

實驗中,研究人員首先使用人造血液來完善透過微流體「血管」的流動通道,然後再用真實血液模擬需要消除的發炎反應,以防止心臟病發作。因為在晶片上可以密切觀察到血管內壁細胞的反應,所以研究小組聲稱他們的動脈粥狀硬化建模方法,遠遠優於使用培養細胞或實驗室動物建模條件的方法。

該研究小組希望學習如何透過多種手段來調節血管收縮,以防止或至少減輕心臟病發作。到目前為止,研究人員專注於心臟血流的整體生物力學,並精確地為心臟血管的形狀和幾何結構建模,以查明血管收縮原因。

這個僅方寸之間的晶片擁有兩個堆疊的腔室,透過軟性聚合物膜隔開,以模擬導致心臟病發作的情況。底部腔室包含壓縮空氣,頂部腔室包含血液(或血樣測試流體)。為了準確地建模一顆真實的心臟,研究人員從冠狀靜脈培養內皮細胞(endothelial cells),使其充滿流體填充室。該系統透過將空氣泵送到軟性充氣室中來操作,從而推動薄膜以模擬阻塞動脈中受限制的血流。

20170103_heart_NT01P1 在晶片上建模動脈粥狀硬化,並評估血管的狹窄和血液的健康狀況,以預防心臟病發作 (來源:Han Wei Hou)

研究人員發現,隨著血管堵塞情況的加劇,內皮細胞釋放出一種導致動脈粥狀硬化的蛋白質。當使用真實血液模擬時,免疫細胞的積聚會更快發展成動脈堵塞斑塊的脂質。

據晶片研發負責人Han Wei Hou介紹,該晶片能準確地模擬這些已知的心臟病前兆,使其成為測試新療法的理想裝置。

該團隊在這幾篇文章中詳述了研究成果:「晶片上動脈粥狀硬化:可調諧3D狹窄血管微裝置」(Atherosclerosis-on-a-Chip: A Tunable 3D Stenotic Blood Vessel Microdevice),以及在1月2日發表的一篇文章「一種可調諧的微流體3D狹窄模型,用於研究動脈粥狀硬化中的白細胞——內皮相互作用」(A tunable microfluidic 3D stenosis model to study leukocyte-endothelial interactions in atherosclerosis)。

編譯:Luffy Liu

(參考原文:MEMS Chip Aims to Beat Heart Disease,by R. Colin Johnson)