發(fā)布日期：2018-02-05
圖片來源：Medgadget
芯片上的器官可以在很大程度上模擬體內(nèi)某些內(nèi)環(huán)境，用于藥物的測(cè)試和開發(fā)，減少動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。最近，來自東京大學(xué)的研究人員們開發(fā)了一種芯片上的血管，研究發(fā)表在最近的《EBioMedicine》上。
這款芯片血管旨在用于研究血管的新生，以及用于開發(fā)靶向血管新生的藥物，從而能夠抑制腫瘤附近的血管新生以達(dá)到抑制癌癥的目的。當(dāng)然，也可以用于其他血管相關(guān)疾病的研究。
血管新生是一個(gè)從預(yù)先存在的血管上構(gòu)建血管的特殊過程，因而可以作為一些抗癌藥物的靶點(diǎn)。在血管新生過程中，新的毛細(xì)血管會(huì)從原有的血管中生長出來并參與適當(dāng)?shù)难馨l(fā)育。但是在癌癥等病理?xiàng)l件下，會(huì)發(fā)生非正常的血管新生，因而抑制腫瘤附近的血管新生可以緩解腫瘤的進(jìn)程，也是一個(gè)有希望的治療策略。
由于血管新生起始于內(nèi)皮細(xì)胞，即血管的最內(nèi)層。血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子A（VEGF-A）以及它的受體2（VEGFR-2）觸發(fā)了大部分激活和調(diào)節(jié)血管新生的機(jī)制，也可以用于藥物開發(fā)的靶點(diǎn)。然而，測(cè)試這種一直血管新生的藥物是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，經(jīng)常需要使用動(dòng)物模型。
作為動(dòng)物模型的有效替代選擇，血管芯片成為了科學(xué)家們的研究方向。“出芽式血管新生的生物化學(xué)已經(jīng)得到了很好的解讀。現(xiàn)在所欠缺的是一個(gè)好的系統(tǒng)，用來研究靶向血管新生有效的藥物，”來自東京大學(xué)的Yukiko Matsunaga博士說。她和同事們共同開發(fā)了這款小型芯片裝置，用于血管生產(chǎn)相關(guān)的體外實(shí)驗(yàn)。它很好地模擬了由血管新生成因子——VEGF-A所觸發(fā)的從原始血管中產(chǎn)生的血管新生。
本研究中芯片上VEGF誘導(dǎo)的血管新生的概念圖。圖片來源：EBioMedicine
在脊椎動(dòng)物中，VEGF共包含了5個(gè)亞型，分別是VEGF-A、B、C、D以及胎盤生長因子（PIGF）。通常在組織缺氧或有生長需要時(shí)，會(huì)分泌VEGF。這些因子在血管和淋巴脈管系統(tǒng)的構(gòu)建和維護(hù)中起到了至關(guān)重要的作用。這些因子通過激活特定的酪氨酸激酶VEGF受體（VEGF-R）來激活信號(hào)。VEGFR-2是人類血管內(nèi)皮細(xì)胞中研究得最多的受體，它可以被VEGF-A所激活，而VEGF-A VEGFR-2通路在血管新生中起到了重要作用。這個(gè)通路中還包含了決定細(xì)胞尖端莖的初始命運(yùn)的DDL4（ Delta-like protein 4）NOTCH1（Neurogeniclocus notch homolog protein 1）。VEGF-A會(huì)與血管內(nèi)皮細(xì)胞上的VEGFR-2相結(jié)合，引發(fā)它二聚化。從而觸發(fā)VEGFR-2的細(xì)胞內(nèi)激酶結(jié)構(gòu)域的激活，其啟動(dòng)信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致響應(yīng)細(xì)胞成為尖端細(xì)胞并在其表面表達(dá)DLL4。DLL4與其相鄰內(nèi)皮細(xì)胞表面的受體NOTCH1相互作用。這激活了γ-分泌酶復(fù)合物，引起分子途徑的下游活化，導(dǎo)致對(duì)VEGF-A的敏感性降低并刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖，因此，細(xì)胞將切換成莖細(xì)胞的命運(yùn)。這使得原有血管上開始出現(xiàn)新生“萌芽”并向外生長。
利用芯片制備體外人微血管。圖片來源：EBioMedicine
為了在體外芯片中模擬這種過程和環(huán)境，研究人員將一根單一的血管埋入凝膠中置于一塊芯片上。通過細(xì)針向凝膠中添加血管內(nèi)皮細(xì)胞。當(dāng)向環(huán)境中添加VEGF-A后，通過顯微鏡，研究人員可以觀察到新的毛細(xì)血管從原有的血管中“發(fā)芽”。
隨著時(shí)間的推移，可以用顯微鏡觀察到血管的新生。圖片來源：EBioMedicine
這款芯片能夠很好的模擬由VEGF誘導(dǎo)的血管新生。
為了近一步驗(yàn)證這款裝置的生物相關(guān)性，研究人員在制造微血管之前，通過RNA沉默對(duì)其進(jìn)行了修飾，靶向的是關(guān)鍵的DLL4基因。10天后，沒有經(jīng)過修飾的系統(tǒng)中，原始血管邊緣清晰且在有VEGF存在的條件下可以觀察到新生的血管發(fā)芽；而經(jīng)過修飾的系統(tǒng)中，血管的邊緣不清晰，不能夠形成穩(wěn)定的血管，且在VEGF存在的條件下，發(fā)生了類似遷移的行為，有一些類似新生“萌芽”可以被觀察到。
敲除DLL4將影響血管的新生和穩(wěn)定性。圖片來源：EBioMedicine
為了驗(yàn)證這款芯片模型是否能夠如同體內(nèi)環(huán)境一樣，研究人員向芯片中添加了抗腫瘤藥物sorafenib或sunitinib，它們都是血管新生的抑制劑。在這個(gè)概念性驗(yàn)證試驗(yàn)中，研究人員觀察到了兩種藥物對(duì)血管新生的有效抑制。
向芯片中添加抗腫瘤藥物sorafenib或sunitinib，觀察到了血管新生的抑制現(xiàn)象。
圖片來源：EBioMedicine
研究小組成員希望該裝置能夠?yàn)榭茖W(xué)家們提供一種簡單的方法來測(cè)試新的血管生成抑制藥物，而不需要進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。我們期待更多的芯片器官使得新藥測(cè)試能夠以更快速、更簡便、更低成本的方式得以進(jìn)行。
參考資料：
[1] Blood Vessel on a Chip to StudyAngiogenesis and Test Anti-Cancer Drugs
[2] A Vascular Endothelial GrowthFactor-Dependent Sprouting Angiogenesis Assay based on an In Vitro Human BloodVessel Model for the Study of Anti-Angiogenic Drugs
來源：康健新視野 ?
