体外构建人脑动静脉畸形生物力学模型的实验研究

Brain arteriovenous malformations (AVMs) present a clinical dilemma because they have a high lifetime risk of intracranial hemorrhage, but surgical treatment carries a significant risk of morbidity and mortality. The origin of AVMs is unknown and no appropriate model has been established in vitro. Our recent study has shown that angiogenesis factors are expressed in brain AVM endothelial cells under shear stress and hypoxic condition. We hypothesize that angiogenesis gives rise to AVM development and Notch pathway may contribute to AVM induction and maintenance of the AVM phenotype. In order to address these issues, we propose the use of a novel artificial vascular system that closely mimics brain AVM angioarchitecture. Our model has AVM biologic and hemodynamic characteristics, while also allowing for an extensive control of the experimental variables and their manipulation. Using our model, Notch signaling pathway expression and its regulation on biologic and hemodynamic behavior of AVM endothelial cells will be further discussed.Together, our findings would establish a novel model for AVM clinical study and offer the potential to improve the efficacy of anti-angiogenesis drugs to brain AVMs.

脑动静脉畸形（AVM）的出血风险性大，外科治疗又有较高的致残、致死率，一直是困扰临床医生的难题。AVM发生和出血的机制亟待明确，尚无可靠的模型进行深入研究。我们已发现缺氧和切应力诱导的血管生成参与AVM的发展过程, Notch通路活化可能为血管畸变的关键环节。本项目基于经典的AVM血管构筑学原理，研制密闭的循环流动模拟系统，建立AVM生物力学实验模型。该模型不仅模拟畸形血管团及其周围正常脑微血管的血流动力学和生物学行为，而且其流体动力学和理化参数可控。本项目应用此模型，研究AVM内皮细胞的切应力-生物信号耦合机制及Notch信号的调节作用，为指导AVM临床个体化治疗提供新策略，为未来开发AVM治疗药物提供新靶标。

人脑动静脉畸形（AVM）为中枢神经系统最为常见的一类血管畸形，是中青年非创伤性脑出血的首要原因。我们前期研究发现，血管生成参与AVM发展、破裂和术后正常脑灌注压突破病理过程。由于缺少可靠的实验模型，血管生成因子发挥作用的因素以及由此导致的血管畸变机制，目前尚不清楚。.本项目首先研制可生长人脑AVM和正常脑微血管内皮细胞的密闭循环流动系统。本模型不仅模拟AVM畸形血管团，还包含其周围“盗血”区的脑微血管， 而且其流体动力学和理化参数可控，分子生物学指标可实时检测。本模型AVM内皮细胞在流体切应力下，VEGF、flk-1、Tie2表达随着流体切应力逐渐增高而呈现明显上升趋势，结果提示本模型符合人脑AVM血管生物学行为。.利用本模型研究体内AVM切除后的脑血流动力学变化，检测到中切组和高切组跨膜电阻显著降低，高切组内皮细胞Ocludin、ZO-1表达明显降低。本实验进一步证实，AVM术后的脑血流重新配布可能导致血脑屏障功能受损，血流切应力水平越高发生正常脑灌注压突破的可能性就越大。.本项目前期结果提示，Notch活化可能在AVM血管畸变中发挥调控作用。利用本模型进一步研究发现Notch-1表达随着流体切应力增高而递增，特别是在中切组和高切组Notch-1表达显著，证实流体切应力在AVM的Notch信号表达中发挥促进作用。.最后，我们将小鼠胚胎干细胞和脑胶质细胞植入本模型，模拟脑血管发育微环境。正常脑微血管内皮细胞在静态和不同水平切应力作用未见Notch-1显著表达。胚胎干细胞在高切应力作用下，内皮细胞标记物CD34免疫染色阳性率显著上调，同时观测到Notch-1表达呈现上升趋势。实验加入含VEGF的条件培养液进行诱导，观测到VEGF对内皮化细胞Notch-1表达有显著促进作用。结果提示在胚胎脑血管发育期，血流切应力可以诱导胚胎干细胞内皮化和Notch基因活化，而血管微环境中VEGF上调加速了此病理过程并最终可能导致血管畸变。