本文介绍了一种用于构建模拟肺切除术的器官芯片（OOC）系统的实验方案。该系统旨在研究糖萼损伤与肺切除术后并发症之间可能存在的关联。
本文内容
摘要
摘要
内皮糖萼（GCX）是一种富含碳水化合物的结构，覆盖于内皮细胞管腔表面，在调控细胞对刺激的反应中发挥关键作用。GCX由跨膜蛋白组成，可作为细胞响应的机械转导器。在稳态条件下，GCX可自然维持其结构与稳定性，但在高剪切应力暴露下可能发生损伤，并引发多种后果。尽管已有研究探讨剪切应力对内皮细胞的一般性影响，但其对血管系统——特别是肺切除术后——的影响程度与作用尚不明确。为深入探究此问题，本研究采用综合方法，构建了肺血管系统在肺切除术前与术后的计算机辅助设计（CAD）模型。通过计算流体模拟，识别出剪切应力与压力升高的关键区域，并在器官芯片（OOC）系统中重现这些区域的流体环境。将人肺微血管内皮细胞（HLMVECs）接种至与选定血管段形状一致的模具中，以表征升高剪切应力的影响。 关键词：内皮糖萼，剪切应力，肺切除术，器官芯片，计算流体动力学，人肺微血管内皮细胞 体外实验结束后，对人肺微血管内皮细胞（HLMVECs）进行免疫染色，以定性评估在肺切除术诱导的正常及增高的应力条件下糖萼层（GCX）的健康状况。通过结合计算建模与实验分析，加深了我们对剪切应力变化如何影响GCX的理解，并阐明了其对血管功能及术后并发症的作用机制。
引言
肺切除术是一种侵入性高风险外科手术，用于摘除右肺或左肺1。该手术通常作为治疗多种严重疾病（如肺癌、肺结核和创伤性肺损伤）的一种选择2。尽管该手术具有潜在疗效，但仍存在显著风险，术后并发症发生率较高，包括心律失常和肺水肿等1。
肺切除术通过将心脏的全部心输出量导向剩余肺组织，对心血管动力学产生深远影响3。这种血流重定向已知会增加剩余肺血管系统内的压力和剪切应力4。在血流模式发生巨大改变的情况下，血管内皮糖萼（GCX）在感知这些血流变化中发挥关键作用5。
糖萼（GCX）是一种凝胶状层，能够根据环境变化调节生化活动6,7。研究表明，与静态培养相比，持续暴露于均匀流动时其表达增加，而暴露于紊乱血流时则减少8,9。GCX在整个血管系统中厚度可变，范围为0.1–1 µm，作为覆盖血管内皮细胞的关键力传导层发挥作用
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方案
本研究采用了先前文献中收集的计算机断层扫描（CT）成像数据14，数据收集过程符合机构和联邦伦理标准。所引用的所有成像数据均已获得参与者的知情同意，并经机构审查委员会（IRB）批准，以确保保护参与者的权利和隐私。
1. 在CAD软件中建立肺血管系统模型
- 研究待建模主要血管的生理几何结构。
- 使用待建模血管的患者 CT 图像，选择需复制的具体几何形态，如图2所示。
注：本方案采用先前文献中的临床肺部 CT 扫描数据14。本方案也允许使用任何 CT 扫描数据生成体外（in vitro）模型。- 打开 DICOM 图像查看软件，导入 CT 图像。浏览各切片以识别目标血管。保存相关图像用于进一步分析。
注：本方案所复制的血管为肺部血管系统，因为本方案的应用旨在建模健康状态及肺切除术后状态下的血管内皮糖萼。其他部位可用于不同应用。
- 打开 DICOM 图像查看软件，导入 CT 图像。浏览各切片以识别目标血管。保存相关图像用于进一步分析。
- 使用 ImageJ FIJI v1.54f15，从 CT 图像或文献数值中测量血管直径。
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结果
流体模拟层流稳态研究的结果显示，与对照模型相比，肺切除模型的某些分叉处剪切应力有所增加，如图11所示。在实验步骤2.8中可视化显示，红色区域表示高剪切应力区域，而蓝色区域表示低剪切应力区域。
图11：模拟的兴趣区域。流体模拟可视化肺切除模型上的兴趣区域。（A）对照模型中较浅的蓝色区域显示较高的剪切应力区域。（B）左肺切除模型中的红色区域表示较高的剪切应力区域。两个模型.......
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讨论
血管建模是一个重要的新兴探索领域。成功构建精确的血管模型，对于推动组织工程和药物开发领域的发展具有重要意义。本文介绍了一种生成器官芯片（OOC）血管系统的新方法，可用于模拟肺叶切除术或任何其他血管系统或几何结构，以研究糖萼（GCX）损伤与肺叶切除术后并发症之间的潜在关联。从更广泛的角度来看，通过调整几何结构或其他疾病状态（如动脉粥样硬化或动脉瘤），该方法也可适用于模拟其他血管系统。
本文所述的器官芯片（OOC）系统相较于市场上其他OOC系统具有多项优势。该系统采用简单的制造工艺，成本低廉，相较于其他OOC方案更具经济性。这使得系统易于进行适应性改造，从而为模拟和评估多种不同血管区域提供了可能。这些应用可涵盖肺血管系统的生理与病理状态，包括肺动脉高压、血管重塑，以及内皮细胞对机械应力、炎症和缺氧的响应。此外，该系统还为药物测试、癌症转移研究、再生医学策略以及微血管通透性研究提供了平台。与其他多数OOC系统相比，该系统运行所需的设备成本更低，其中主要开支仅为一台蠕动泵。
标准器官芯片系统常见的问题是其脆弱性以及操作困难。这些系统需.......
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披露
作者声明无利益冲突。
致谢
作者谨向伍斯特理工学院生物医学工程系致以最诚挚的感谢，感谢他们提供的支持与指导。特别感谢 Megan Ouellette、John Martel 和 Sudish Vengat 在合作研究中提出的创新性想法，这些贡献极大地提升了本研究的质量与可行性。此外，我们还要感谢 Samantha Cocchiaro 和 Udaya Rattan 在实验室中的工作，以及他们所提供的关键支持与协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| #8-32 x 3/4 英寸 组合圆头镀锌机械螺钉（8 件装） | Everbilt | 204274613 | - |
| 0.25% EDTA-胰蛋白酶 | ThermoFisher Scientific | 25200056 | - |
| 15 mL 圆锥形无菌聚丙烯离心管 | Thermo Scientific | 12-565-269 | - |
| 35×10 mm 培养皿，Nunclon Delta | Thermo Scientific | 153066 | - |
| 50 mL 圆锥形无菌聚丙烯离心管 | Thermo Scientific | 12-565-271 | - |
| 各种橡胶塞 | Fisherbrand | 14-132 | |
| BioLite 细胞培养处理培养瓶（25 cm²） | Thermo Scientific | 12-556-009 | - |
| BioLite 细胞培养处理培养瓶（75 cm²） | Thermo Scientific | 12-556-010 | - |
| COMSOL Multiphysics | COMSOL | N/A | - |
| 双面胶带 | 3M | 16758005 | - |
| Epredia Richard-Allan Scientific 盖玻片 | Thermo Scientific | 22-050-218 | - |
| 胎牛血清 | ThermoFisher Scientific | A5256701 | - |
| 纤连蛋白 | ThermoFisher Scientific | 33016015 | 20 μg/mL 稀释液 |
| Fisherbrand Isotemp 数控水浴锅：型号 210 | Fisherbrand | 15-462-10Q | - |
| Fisherbrand 无菌注射器（60 mL） | Fisherbrand | 14-955-461 | - |
| 人肺微血管内皮细胞 | Sigma Aldrich | 540-05A | - |
| Keyence BZX810 荧光显微镜 | Keyence | N/A | - |
| Krayden Dow Sylgard 184 硅橡胶弹性体试剂盒，透明（1.1 磅） | Dow | 4019862 | - |
| Marga Cipta 铸造亚克力板，1/2 英寸厚，48×96 英寸 | Marga Cipta | N/A | - |
| Masterflex L/S Easy-Load II 泵头 | MasterFlex | 77200-50 | |
| Masterflex L/S 精密泵管，铂固化硅胶，L/S 16；25 英尺 | MasterFlex | 96410-16 | - |
| Masterflex L/S 标准蠕动泵 | Masterflex | 07522-20 | |
| 微量移液器 0.2 至 2 μL | Fisherbrand | FBE00002 | - |
| 微量移液器 10 至 100 μL | Fisherbrand | FBE00100 | - |
| 微量移液器 100 至 1000 μL | Fisherbrand | FBE01000 | - |
| 微量移液器 5 至 50 μL | Fisherbrand | FBE00050 | - |
| 微血管内皮细胞生长培养基（500 mL） | Sigma - Aldrich | 111-500 | - |
| Nalgene 无菌注射器滤器 | Thermo Scientific | 725-2520 | - |
| Nikon Eclipse TS-100 荧光显微镜 | Nikon | NI-TS100 | |
| 磷酸盐缓冲液（DPBS，10X），Dulbecco 配方 | Thermo Scientific | J61917.K3 | - |
| Prusament PLA Prusa Galaxy 黑色 1 kg | Prusa | PRM-PLA-GLX-1000 | - |
| Rebel Hybrid 显微镜，正置与倒置一体，Discover Echo | ECHO | 76376-746 | - |
| 硅酮密封胶 | Loctite | 908570 | - |
| SolidWorks | Dassault Systemes | N/A | |
| 带放大刻度条的无菌聚苯乙烯一次性移液管（10 mL） | Fisherbrand | 13-678-11E | - |
| 带放大刻度条的无菌聚苯乙烯一次性移液管（25 mL） | Fisherbrand | 13-678-11 | - |
| 带放大刻度条的无菌聚苯乙烯一次性移液管（50 mL） | Fisherbrand | 13-678-11F | - |
| 带放大刻度条的无菌聚苯乙烯一次性移液管（5 mL） | Fisherbrand | 13-678-11D | - |
| 链霉亲和素，Alexa Fluor 488 标记物 | Invitrogen | S32354 | |
| 链霉亲和素，Alexa Fluor 488 标记物 | Invitrogen | S32354 | - |
| 注射器储液器 | BD | 300865 | |
| Thermo Scientific Alfa Aesar 1 升 牛血清白蛋白，第五组分，35% 溶液，试剂级，无脂肪酸，含叠氮化物作为防腐剂 | Thermo Scientific | N12H004 | - |
| 管路连接器 | Fisherbrand | 01-000-161 | - |
| 含 DAPI 的 VECTASHIELD 抗荧光淬灭封片剂 | Vectashield | H-1200-10 | - |
| VWR 水套式 CO2 培养箱 | Avantar | 10810-744 | - |
| WGA 生物素化抗体 | Vector | B-1025 | - |
参考文献
- Sharma, S., Beshara, M., Bora, V. Pneumonectomy. , StatPearls Publishing LLC. (2024).
- Grapatsas, K., et al. Pneumonectomy for primary lung tumors and pulmonary metastases: a comprehensive study of postoperative morbidity, early mortality, and pr....
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