灌流可能な3次元狭窄モデルにおけるアテローム性の血流障害と血管炎症の再現

Recapitulating atherogenic flow disturbances and vascular inflammation in a perfusable 3D stenosis model.

• Nishanth Venugopal Menon
• Chengxun Su
• Kuin Tian Pang
• Zhai Juan Phua
• Hui Min Tay
• Rinkoo Dalan
• Xiaomeng Wang
• Holden Li
• Hanwei Hou

抄録

血管の狭窄と動脈閉塞は、動脈硬化の病理学的特徴であり、血行動態の乱れ、内皮機能障害と炎症性カスケードの複雑な相互作用を含んでいます。ここでは、我々はin vitroでアテローム性の流れを媒介する内皮機能不全と血液内皮細胞（EC）の相互作用を再現した新しい円形のマイクロ流体狭窄モデルを報告します。狭窄形状の異なる2次元および3次元狭窄マイクロチャンネルを3Dプリントで作製し、閉塞の重症度と壁のせん断応力（100～2000dynecm-2）を変化させた場合の流れの乱れを研究した。実験と流体シミュレーションの結果、狭窄部には病理学的なせん断応力が存在し、狭窄後には再循環流が発生することが確認された。その結果として、病理学的なフロープロファイルは、直交するECアライメント、狭窄部での血小板接着の強化、狭窄後の異常な白血球とECの相互作用によって示されるように、親炎症性および親血栓性のEC状態を誘導した。血管モデルの臨床的有用性については、アスピリンとメトホルミンの抗血栓効果と免疫調節効果を試験することでさらに検討した。全体として、このプラットフォームは、内皮機能障害、血小板、白血球接着を含む重要なアテローム性イベントの多因子解析を可能にし、心血管リスクの層別化のための液体生検ツールとしてさらに発展させることができる。

Blood vessel narrowing and arterial occlusion are pathological hallmarks of atherosclerosis, which involves a complex interplay of perturbed hemodynamics, endothelial dysfunction and inflammatory cascade. Herein, we report a novel circular microfluidic stenosis model that recapitulates atherogenic flow-mediated endothelial dysfunction and blood-endothelial cell (EC) interactions in vitro. 2D and 3D stenosis microchannels with different constriction geometries were fabricated using 3D printing to study flow disturbances under varying severity of occlusion and wall shear stresses (100 to 2000 dynecm-2). Experimental and fluid simulation results confirmed the presence of pathological shear stresses in the stenosis region, and recirculation flow post stenosis. The resultant pathological flow profile induced pro-inflammatory and pro-thrombotic EC state as demonstrated by orthogonal EC alignment, enhanced platelet adhesion at the stenosis, and aberrant leukocyte-EC interactions post stenosis. Clinical utility of the vascular model was further investigated by testing anti-thrombotic and immunomodulatory efficacy of aspirin and metformin, respectively. Overall, the platform enables multi-factorial analysis of critical atherogenic events including endothelial dysfunction, platelets and leukocyte adhesion, and can be further developed into a liquid biopsy tool for cardiovascular risk stratification.

© 2020 IOP Publishing Ltd.