PDMS微流控芯片：血管新生研究的得力助手

在人体内，血管新生是一个至关重要的生理过程，它参与着众多生理和病理事件，如胚胎发育、伤口愈合、肿瘤生长以及组织修复等。血管新生主要通过两种途径实现：血管生成和动静脉形成。血管生成是指从现有血管中萌出新的毛细血管，而动静脉形成则是描述从现有动脉-动脉吻合处生长出功能性侧支动脉。在这些复杂的过程中，血管内皮细胞（ECs）扮演着关键角色，它们受到多种机械力的作用，其中剪切应力尤为关键。

然而，剪切应力在血管新生中的作用一直存在争议。一些研究认为，剪切应力会抑制血管形成；而另一些研究则表明超过一定阈值的剪切应力能够触发内皮细胞萌出，是旁路生长的动力。为了深入探究这一现象，本公司研发的微流控芯片应运而生，为血管新生研究提供了一个精准的体外模型。

一、微流控芯片的精巧构建与卓越优势

本公司研发的微流控芯片采用先进的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材质，通过软光刻技术制造，具有高度的精确性和可重复性。芯片内部结构精巧，包含内皮细胞培养通道和液体通道，两者之间由一个中央水凝胶通道分隔。中央水凝胶通道内含有胶原蛋白和纤维连接蛋白的混合物，以模拟细胞外基质的环境，为细胞提供了一个接近生理条件的生长基质。

值得一提的是，芯片内部规则排列的梯形微柱，不仅为内皮细胞提供了必要的机械支撑，还极大地促进了水凝胶的均匀填充。微柱的几何形状和间距经过精心设计和反复试验，确保了在模拟生理条件下细胞的正常生长和功能发挥。

该芯片能够同时施加高管腔剪切应力、维持生理水平的跨内皮细胞流动，并精确控制血管内皮生长因子（VEGF）的分布。这种多功能性使得研究人员可以在体外精准地操控和研究内皮细胞在多种复杂条件下的反应，模拟体内血管新生的初始生理微环境。

二、芯片在血管新生研究中的应用实例与突破性成果

在一项具有里程碑意义的实验中，来自北京航空航天大学的科研人员利用该微流控芯片进行了一系列细致入微的研究。实验中，人脐静脉内皮细胞（HUVECs）被精心接种到芯片的内皮细胞培养通道中，并在适宜的条件下培养至形成均匀的单层。接下来，通过微注射泵和电磁夹管阀的精确调控，不同水平的管腔剪切应力被施加到内皮细胞上，同时通过在芯片的不同通道中添加VEGF，构建了正梯度、负梯度或均匀分布的VEGF环境。

实验结果显示，在无流动条件下，内皮细胞呈现出随机的排列方式；然而，当受到剪切应力（如5 dyn cm⁻²或15 dyn cm⁻²）作用24小时后，细胞排列方向与流动方向趋于一致，且在较高剪切应力下（15 dyn cm⁻²），细胞被显著拉伸得更长。这一发现揭示了剪切应力对内皮细胞形态和排列的直接影响，为理解细胞在血流动力学环境中的行为提供了重要依据。

在进一步的细胞萌出实验中，研究人员观察到随着剪切应力的增加，内皮细胞的萌出能力显著下降。这表明剪切应力在血管新生过程中可能发挥着抑制作用。更为重要的是，即使在存在VEGF的情况下，高剪切应力（如15 dyn cm⁻²）仍能显著抑制内皮细胞的萌出。这一发现挑战了传统观念中VEGF在血管新生中占据主导地位的观点，强调了剪切应力在血管新生调控中的关键作用。

在分子机制研究方面，科研人员巧妙地利用肝素酶II（Hep.II）处理内皮细胞，选择性地降解细胞表面的肝素硫酸蛋白多糖（HSPGs）。研究发现，HSPGs能够作为机械感受器，敏锐地感知流体剪切应力的变化，并进一步调节多种内皮细胞基因的表达，从而影响血管新生的过程。在高剪切应力环境下，HSPGs的完整性对于维持内皮细胞的静止状态至关重要。一旦HSPGs被破坏，内皮细胞的萌出和管状结构形成能力显著增强，这一发现为理解剪切应力如何通过细胞表面分子调控血管新生提供了新的视角。