人造血管助力科研攻克疾病

人造血管助力科研攻克疾病

作者：Agnès Vernet

编辑：Meister Xia

一览：

• 人工动脉和血管的研发，有利于学者更好地了解血管中的流体动力学，探索更有效的疗法。

• 巴黎综合理工学院联盟的流体动力学实验室（LadHyX）开发的人工血管系统正应用于与法国里尔大学附属医院的合作项目中，用于测量冯·维勒布兰德因子的形成和分布。该因子若发生异常，会导致血栓形成，阻塞血管。

• 实验室还开发了另一种人工血管模型，可用于模拟高血压、阿尔兹海默症等微血管病变类疾病。

• Ladhyx的模型可以准确地模拟脑血管的复杂结构，还能植入各类血管组成细胞和大脑细胞。

人体内的血管细者如毛发，宽者如通途大道，是生理功能必不可缺的结构。生理学家曾以为血管仅仅是具有渗透功能的管状结构，但事实上血管中发生着许多复杂的物理和生化过程。在巴黎综合理工学院联盟的流体动力学实验室（LadHyX），学者Abdul Barakat带领的课题组正对此问题展开研究。

课题组通过制造不同尺寸大小的人工动脉和血管，研究疾病等生理现象的成因。当代生物学研究往往不重视动脉中的流体动力学作用，本课题的目的就是将流体动力学因素纳入生理现象的分析中。课题组设计了两种人工血管模型，可以灵活调整，用于探究多种医学难题。

01.

利用人造血管模型研究冠状动脉疾病

第一种人工血管模型以胶原蛋白水凝胶为基质，管内径3毫米，外径4.5毫米，管内植入平滑肌细胞和内皮细胞（在人体动脉中实际存在的细胞）。这一模型模拟的是为心脏供氧的冠状动脉，能再现冠状动脉内压强高、存在剪切流动的流型，可用于研究动脉粥样硬化。

为了分析细胞对人工引入的机械因素的反应，课题组使用高分辨率成像系统，如共聚焦荧光显微镜、阻抗型传感器，安装在人造动脉壁上，实现了真正的三维空间分析，让血管里所有细胞动力学现象尽收眼底。这种研究方法有利于观测细胞反应机理，以及血管壁上不同类型的细胞如何相互作用。

LadHyX与里尔大学附属医院合作，将模型用于测量冯·维勒布兰德因子的形成和分布。该因子若发生异常，会导致血栓形成，阻塞血管。同时，澳洲悉尼的新南威尔士大学使用该模型研究湍流对动脉壁的影响；法国斯特拉斯堡的献血站使用该模型研究血液中血小板的形成。

在Ladhyx，研究者使用模型深入分析血管在植入支架后如何愈合。在血管里植入支架，能支撑狭窄血管，保持血流通畅，但支架植入手术可能会伤害血管腔内壁的内皮细胞，反而使血管变得更窄。使用模型，能预测不同类型的支架植入后血管的愈合方式，有利于避免术后血管变窄的现象[1]。

02.

利用人造血管模型研究微血管病变类疾病

第二种模型仍然以胶原蛋白水凝胶为基质，直径为120-150μm [2]，可用于模拟高血压、阿尔兹海默症等微血管病变类疾病。通常认为，阿尔兹海默症的致病机制是肽（β-淀粉样蛋白、过度磷酸化的Tau蛋白）在大脑中异常积累。在过去的几十年中，学界投入了大量资源研究此假说，却没有产生任何实质性的临床成果。现在，有人提出阿尔兹海默症可能是微血管病变导致。实验显示，阿尔兹海默症的发病与脑灌注不足（大脑中血流量异常）的确存在一定关联。

在动物模型中，通过调整大脑灌注，可观察神经元的退化和与阿尔茨海默症相关的肽的积累，由此有学者提出了一个假设：大脑中机械因素的异常可能会引发疾病，或者让疾病恶化。Ladhyx的模型可以准确地模拟脑血管的复杂结构，还能植入各类血管组成细胞和大脑细胞，并灵活调整细胞配比，重现多种生理状态。

Ladhyx的模型为研究机械力对生物过程的作用开拓了新疆域。过去的研究已表明机械力的确能影响蛋白质的表达，所以Ladhyx未来将进一步地研究机械因素和生化因素的具体互动机理。

模型在临床中的应用

数学建模、生物工程和计算机医学的进步，让模拟度更高的人类病理学建模成为可能。在最近召开的虚拟人体生理学大会（VirtualPhysiological Human Conference）发表的一篇报告中 [3]，专家们指出新一代的模型已经在临床医学得到了多种应用。

新一代模型可以揭示前所未知的生理病理学奥秘，有利于新疗法的开发。例如，法国雷恩大学的两名学者Virginie Le Rolle 和 Alfredo Hernández带领的课题组正是使用建模来研究阻塞性睡眠呼吸暂停，分析呼吸、新陈代谢和肺力学之间的相互关系。

有一些模型可以结合患者的个人数据进行个性化计算分析，让病情管理更具针对性。奥地利格拉茨医科大学学者Gernot Plank 指导开发了心脏电生理模型，可结合患者的实际MRI 和 ECG 数据，以期实现个性化。

还有一些模型可以用于预测人体健康状态，并制定治疗方案，例如葡萄牙波尔图大学学者Fernanda Fidalgo 设计的剖腹产术后愈合模型。总之，数字建模可以以多种形式与临床实践结合。

由Agnès Vernet采访

参考资料：

1.E.E. Antoine et al. (2016), J R Soc Interface, 13 (125) : 20 160 834. doi :10,109 8/rsif.2016.0834

2.C.A. Dessalles et al. (2021), Biofabrication 14 (1), 015003. doi :10,108 8/1758–5090/ac2baa

3.I. E Vignon-Clementel et al., Ann Biomed Eng (2022) 50(5):483–484. doi: 10.1007/s10439-022–02943‑y

Abdul Barakat

法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任、

巴黎综合理工学院联盟机械学和生物学安盛教授

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