高仿生体外微血管模型分析糖尿病视网膜病变患者白细胞与血管内皮细胞间的粘附行为

Diabetic retinopathy (DR) is a leading cause of blindness in the world. There are an increasing number of evidences suggesting that the adhesion between leukocytes and vascular endothelial cells plays a critical role in the DR pathogenesis. However, the relationship between abnormal microvascular hemodynamics in DR patients and the adhesion of leukocytes is unclear. In this research project, a biomimetic microvascular network model with the features of topological structure, hemodynamics environment and bio-function is fabricated based on the human retinal arteriole blood vessel network.This microvasular model is used to dynamically and quantificationally investigate the leukocyte adhesion under the controlled hemodynamic environments. Through studying the influences of TNF-α and anti-inflammatory DR drugs (hexadecadrol and SAR1118) on leukocyte adhesion, the expression of key proteins in leukocyte and endothelium and the blood velocity field variation within the microvasular model, this research project can reveal the relationship between hemodynamics abnormity in the retinal microvessels and leukocyte adhesion in the immunological mechanisms of DR and provide some meaningful insights of the pathogenesis and treatment strategies for DR. In addition, this project can provide economical and feasible technical platform for the screening of drugs treating DR in the future.

糖尿病视网膜病变（下称糖网病）是致盲的主要原因之一。白细胞与眼底视网膜微血管内皮细胞间的粘附在糖网病炎症机理中起重要作用，但白细胞粘附与临床上糖网病视网膜微血管内血流动力学异常体征间的关系仍不清楚。因此，本研究将以人眼底微动脉血管网络为参照，发展出一种空间结构、流体动力学环境和生物功能上高度仿生的体外微血管网络模型。基于该模型，在可控血液动力学环境下定量检测糖网病患者白细胞与内皮细胞间的粘附行为；在模型内不同的局部血液动力学区域，通过定量研究炎症因子TNF-α及抗炎药物对这一粘附行为的影响、白细胞和血管内皮细胞关键蛋白的表达、微血管模型中血液速度场的变化等重要环节，揭示视网膜微血管血液动力学异常与糖网病免疫病理机制中白细胞粘附环节的关系，阐明糖网病的发病新机理。同时，本研究开发的高仿生体外微血管网络模型能为今后筛选治疗糖网病的药物提供经济可行的技术平台，具有较好的应用前景。

糖尿病视网膜病变（下称糖网病）是致盲的主要原因之一，以白细胞和视网膜微血管内皮细胞间的黏附为特征的慢性炎症在糖网病发生与发展扮演重要作用，但白细胞黏附与糖网病患者视网膜微血管内血流动力学异常体征间的关系仍不清楚。本项目借助微流控芯片技术体外成功重塑了具备生理活性功能，且结构高度彷人眼底微动脉血管网络模型，在此模型上定量研究局部流体动力学微环境和细胞因子TNF-α对人外周血单核细胞（PBMCs）和内皮细胞黏附行为的影响。研究结果显示：1）构建的体外模型具备人眼底视网膜微血管网络的分级分支结构特征，通过优化实验条件，在模型内成功地培养出血管内皮细胞单层，使模型具备生理活性功能；2）通过TNF-α(10ng/mL)对模型进行刺激模拟炎症状态，相比未刺激的生理状态，人外周血单核细胞（PBMCs）与血管内皮细胞黏附数量显著增加（188.2±26.2 vs.32.8±13）；3）微血管模型具有异质性的局部流体动力学微环境，当模型人口流速为10μL/min时，模型内壁剪切率范围分布在0.5~13.5dyne/cm2，PBMCs与血管内皮细胞间的黏附更易发生在分叉部位和壁剪切率较小的微通道分支。本项目开发的高仿生微血管模型提示糖网病免疫炎症机理中白细胞黏附环节受炎症因子和局部流体动力学因素综合调控，该模型可为今后研究糖网病发病机制提供仿生和经济的实验研究模型。