动脉粥样硬化（atherosclerosis,AS）是一种以局部慢性炎症为特征的心血管系统疾病。该疾病的特征是血管狭窄、硬化和增生，这是心血管并发症最显著的潜在原因。AS是一种动脉壁慢性炎症，始于不良因素引起的动脉内皮细胞的损伤，炎症激活的内皮细胞大量表达黏附分子(ICAM-1,VCAM-1)和趋化因子，吸引血液循环中的单核细胞进入血管壁。脂质通过炎症细胞的浸润而沉积,其中氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)又引起血管壁的炎性增生反应，进一步形成动脉粥样斑块[1]。斑块在血流动态变化下极易发生破裂，导致血栓形成、血管阻塞进而引发心肌梗死等急性临床事件。
目前国际上关于血管芯片的构建已有较多研究，研究方向主要集中在芯片中的血管屏障功能，血管生成和血管形态，调节血液流动、止血和血栓形成这三个方面[2]。这些研究虽有不少进展，但针对三维管状仿生血管芯片构建并利用其作为特定疾病病理发展过程的动态观察平台的报道仍较罕见。而基于血管芯片建立动脉粥样硬化疾病模型的研究此前在国际上尚未见系统报道。
年11月27日，来自苏黎世大学的MalloneA.等人以预印本形式发表文章：Humaninducedpluripotentstemcell-derivedarteriesaspersonalizedmodelsofatherosclerosison-a-chip，结合计算流体动力学和组织工程学的方法，首次在体外实现了在一个月内人类动脉粥样硬化斑块的完全发育。研究人员使用人类诱导多能干细胞（iPSC）来源的细胞聚集到组织工程动脉血管中，并在动脉粥样硬化条件下培养。通过量身定制的CFD建模，可靠地预测了血管内斑块沉积的区域。利用机器学习辅助的免疫表型分析和分子分析发现来自建模斑块的免疫细胞群和细胞外基质(ECM)成分与人类颈动脉病变中的免疫细胞群和细胞外基质成分相似，发现了组织工程斑块和天然斑块的ECM拉伸状态之间的相似性。研究结果提供了动脉粥样硬化中血流动力学和炎症之间联系的体外证据，并提供了一种个性化的、可升级的工具来研究人类动脉粥样硬化的发生和进展。
研究人员首先将人类诱导多能干细胞（iPSC）分别分化为动脉内皮细胞（iECs）和收缩型平滑肌细胞（iSMCs），然后开发了一种适合于与机械脉动流系统连接的微流控芯片装置，将上述细胞种植进去，在动态的、原生的环境中促进组织培养。作者在文中对芯片装置进行了大量的流体动力学分析，发现装置内层流的存在，而在装置入口处形成了稳定的涡流。接着通过在入口边界引入低密度脂蛋白颗粒作为凝聚场来调整模型，模拟了平流、阻力、升力和由气流扩散引起的随机运动。结果表明每个血管入口都存在动脉粥样硬化环境，重现了斑块区域的血流动力学。
为了验证模拟结果，研究人员利用iPSC分化的巨噬细胞前体（iMp）对构建的血管芯片进行了4周的持续灌注。进程结束后在芯片入口处观察到类似于动脉粥样硬化斑块的宏观解剖结构。这些结构内包含CD11b+巨噬细胞，与灌流的iMp不同，并在内皮下迁移。进一步比较发现斑块模型内免疫细胞群和细胞外基质(ECM)成分与人类颈动脉病变中的免疫细胞群和细胞外基质成分相似，斑块的拉伸状态和天然斑块的ECM具有相似性。
总的来说，研究报道了一种微流控动脉血管芯片的装置，并首次在体外实现了在一个月内人类动脉粥样硬化斑块的完全发育。同时，显示了生物学、医学和计算建模之间富有成效的交流如何能够开发出最终为患者服务的工具。
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