血管网络形成是一个复杂的过程，对于脊椎动物的发展至关重要。动态模拟血管系统，同时开展各种功能，例如传送关键因子。内皮细胞经历了激活，增殖，迁移，对齐，成管，修剪，统称为血管形态发生。从已有血管形成新血管被称为血管新生。通过各种分子机制的表征以及几种血管生成促进剂和抑制剂的识别，大大推进了血管新生的研究。同时必须理解生理病理条件下的血管新生，涉及周围微环境中的信号机制。研究人员试图发现血管生成抑制剂。基本上，体外模型应该能够定义并整合真实反映目标组织/器官的主要微环境。

血管新生——新血管从已有血管中生长，受控于细胞微环境中的线索，例如血管生长因子的可控空间梯度。然而，当前体外模型不可扩展用于深入研究血管生成。本研究开发了一种基于塑料的微流控芯片来重建体外3D血管网络。识别了现有系统的主要缺点，即生产率低以及实验难度大，提出了一个突破性建议同时减小缺点。塑料材料的选择有助于提高体外设备的生产率和可用性。通过采用该材料，该芯片可以提供简单的流体图案化，有助于构造细胞培养微环境。与之前的体系相比，该芯片可以形成向内和向外的径向血管出芽，显示出功能和形态上完整的微血管。所开发的血管新生模型上产生了抗血管生成药物筛选的剂量反应结果。该模型可以为正常和病理条件下的血管研究以及眼部新生血管化基础研究做出重大贡献。另外，可以将其作为一个工具来开展更实用的，扩展的临床前研究，从而替代动物实验。

近期发表在Advanced Healthcare Materials杂志上题为“Human OcularAngiogenesis-Inspired Vascular Models on an Injection-Molded Microfluidic Chip”的文章，来自首尔大学的Noo Li Jeon教授团队。

本文展示了一个基于塑料微流控芯片的工程化3D血管网络平台。这一平台提供了一种简易方法来实现流体图案化，采用塑料材料取代广泛应用的PDMS。该方法可以通过构造一个结构来引导亲水条件下的表面流体运动从而图案化两种或多种流体。最终，这样的图案化允许细胞共培养环境，适合器官模拟系统。设计了一个圆形结构作为流体引导，并将内皮细胞和肺成纤维细胞共培养来重建一个3D血管网络模型。通过构造一个圆形结构作为细胞培养流道，细胞间生物医学交流可以径向统一化.。利用这一特征，控制了各个方向上血管新生反应的出芽方向。这一形成很接近眼新生血管化研究中观察到的正常和病理状态下的视网膜和角膜血管新生。研究中，观察到功能和形态上建立的微血管，通过施加抑制血管新生药物，证实了这一系统作为筛药平台的潜力。

图1. 人眼解剖示意图。

图2. 注塑成型圆形微流控芯片的整体配置和应用规则。

图3. 圆形共培养系统证实3D微血管网络的形成。

图4. 血管新生模型的开发作为一个向内血管出芽过程。

图5. 血管新生中径向定向血管出芽的开发。

交叉学科方法的最新进展推动了复杂实验模型的开发和各种应用，重现血管生成和血管新生。特别地，越来越多地研究理解血管新生的方法，包括肿瘤，骨，眼，和屏障模型。这样的研究应该不仅仅保持为一个学术案例，而应该拓展到实际终端用户。

本研究开发了一个基于塑料的微流控芯片来实现3D血管网络的工程化和配置。这一微流控芯片克服了近年来大量研究的PDMS系统的一些缺点，从而可以作为一个更好的实验工具。利用3D打印确定了最佳设计后，采用了注塑成型工艺。这一制造技术很有价值，它可以实现高度设计自由以及及时反映尺寸和结构变化。不同于现有制造技术，可以大批量生产大量设备。证实了所采用的塑料与过去研究中所采用的PDMS相比不太容易发生疏水性小分子相关的吸附问题。利用了亲水条件下的流体行为来实现流体快速简易图案化。这一图案化方法可以实现芯片上一种或多种流体的图案化，以同心层作为枢轴导向。这一方法的一个重大进步是突出生化蛋白的表达以及构造经过形态学验证的3D血管网络的能力。利用该芯片的结构特征，可以设计一个接近眼血管生成的模型。径向生长的血管出芽可以向内或向外定向。这一模型有望用作一个体外平台来替代动物实验，例如整装和微口袋检测，目前用于眼新生血管化研究。基于塑料的工程化3D血管系统的强大可重复性意味着我们期望将它用于基本血管生物学研究以及血管化器官模型，远超过去研究中开发的系统。本质上，我们致力于完全替代动物实验，并开发适用于人体药物研发的平台。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adhm.201900328

编辑 | 王鹏