基于三维细胞模型模拟血管内皮微组织的PM2.5致凝血功能障碍机制研究

Studies showed that PM2.5 induced thrombosis is contributed to cardiovascular disease based on epidemiological investigation. But the mechanisms responsible for PM2.5-induced thrombosis are undefined since the traditional model (animal or cell monolayer culture) can not completely simulate the human physiological function. However, the integration of histological and cellular researches would be achieved via establish three-dimensional cell model. In this regard, a feasibility study of dynamic pathological mechanism of PM2.5 induced dysfunction of coagulation and fibrinolysis is proposed to be undertaken based on three-dimensional cell model. The cell model is intends to establish by co-culture with human umbilical vein endothelial cells in hydrogel. Interdisciplinary approaches, such as physical characterization, chemical analysis, ultra microstructure observation, protein corona identification and biological marker, are applied in this project. They are intend to investigate the dynamic progress of PM2.5-formed protein corona activate endothelial cells and then lead to dysfunction of coagulation and fibrinolysis. The project aims to investigate the dynamic thrombotic mechanism by PM2.5 induced endothelial dysfunction of coagulation and fibrinolysis. It also lays a theoretical foundation of toxicological studies based on three-dimensional cell model.

流行病学调查显示PM2.5导致心血管疾病与其促使血栓形成有密切关系，但机制尚不明晰。传统动物或单层细胞模型不能完全模拟人体生理机能，而三维细胞培养模型是目前世界毒理学领域最为关注的前沿技术之一，能将体外单层细胞培养与组织整体研究相结合。本项目基于人脐静脉内皮细胞三维培养模型，使细胞以体内生长方式聚集成微组织。通过模拟血管内皮微组织，开展PM2.5导致内皮细胞凝血及纤溶功能失衡的“三阶段”动态病理机制研究。项目将通过细胞与水凝胶共培养模式构建三维细胞模型，并采用跨学科研究手段（物理表征与化学分析、超显微细胞结构观察、蛋白质冠的结构与功能鉴定、生物标志物测试等），研究PM2.5通过形成蛋白质冠而进入并激活内皮细胞，从而干扰凝血及纤溶系统功能的动态过程，并进行定性与定量分析。项目旨在探索PM2.5致内皮细胞凝血功能障碍并促血栓形成的病理机制，为PM2.5的毒理学研究提供新思路和奠定理论基础。

PM2.5 促使心血管发病的机制尚不明晰。但流行病学调查结果显示这可能与PM2.5 促血栓形成有密切联系。迄今为止，传统毒理学模型（动物模型和2D细胞培养）仍被广泛应用于毒理学研究当中，但相关模型的缺陷一致制约着如何将研究结果直接类推到人体。在本项研究中，一种基于微流控三维细胞培养技术的人体微血管网络在体外得到建立。我们所建立的人血管模型使内皮细胞能够形成血管样的微组织网络，使其具有更接近人体血管细胞的生理功能。基于该模型，本项目开展了PM2.5导致内皮细胞生理功能异常的动态病理机制研究。研究结果表明，PM2.5的血管内积累可以增强血管内活性氧的生成，并进一步通过氧化应激来造成血管内皮细胞的功能障碍，这包括钙离子内流、血管通透性增加以及血管收缩。同时，纳米尺寸的大气颗粒物更倾向于在血管内吸附蛋白质，并形成纳米-蛋白冠。这种生物结合方式会进一步增强内皮细胞的炎症反应，进而导致血管抗凝/促凝系统的失衡，从而加速血栓效应的形成。综上所述，本项目通过3D人微血管组织模型的建立，有效的提供了于体外建立并模拟人血管的技术手段，基于此模型的相关毒理学研究结果为PM2.5促心血管疾病的病因学探讨提供了新的研究思路和理论指导。