Development of a microfluidic chip-based
in vitro model of retinal microvasculature and thrombosis therein- Journal of Army Medical University Vol. 47, Issue 11, Pages: 1199-1207(2025)
- 作者机构：
1.重庆医科大学附属第二医院眼科，重庆
2.重庆医科大学附属永川医院中心实验室，重庆
- 作者简介：
LIU Danning，E-mail：302110@hospital.cqmu.edu.cn
LI Yuan，E-mail：liyuan_1985999@163.com.
- 基金信息：the General Project of National Natural Science Foundation of China(82070976);the General Project of Natural Science Foundation of Chongqing(CSTC2021JCYJ-MSXMX0211)
DOI：10.16016/j.2097-0927.202503005
CLC： R319;R364.15;R774.1Received：03 March 2025，
Revised：21 March 2025，
Published：15 June 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
邵淑娴，王艳美，徐艺菡，等.一种基于微流控芯片的体外视网膜微血管体系血栓形成模型的建立［J］.陆军军医大学学报，2025，47（11）：1199-1207.DOI：10.16016/j.2097-0927.202503005.
SHAO S X，WANG Y M，XU Y H，et al.Development of a microfluidic chip-based in vitro model of retinal microvasculature and thrombosis therein［J］.J Army Med Univ，2025，47（11）：1199-1207.DOI：10.16016/j.2097-0927.202503005.
邵淑娴，王艳美，徐艺菡，等.一种基于微流控芯片的体外视网膜微血管体系血栓形成模型的建立［J］.陆军军医大学学报，2025，47（11）：1199-1207.DOI：10.16016/j.2097-0927.202503005. DOI：
SHAO S X，WANG Y M，XU Y H，et al.Development of a microfluidic chip-based in vitro model of retinal microvasculature and thrombosis therein［J］.J Army Med Univ，2025，47（11）：1199-1207.DOI：10.16016/j.2097-0927.202503005. DOI：
摘要
目的
2
构建一种模拟视网膜血管体系空间结构特征和生物活性的内皮化微流控芯片模型，利用该模型进一步构建血栓模型，并将该血栓模型应用于溶栓效果验证。
方法
2
采用软光刻加工技术制备具有分叉结构和三级管径的体外眼底微血管网络微流控芯片。在芯片通道内注入人源视网膜血管内皮细胞（human retinal microvascular endothelial cells，HRMECs），通过光学显微镜和细胞骨架染色观察不同时间点内皮细胞的铺设密度及形态特征；采用线粒体膜电位荧光探针（5，5，6，6-Tetrachloro-1，1，3，3-tetraethylbenzimidazolylcarbocyanine iodide，JC-1）和一氧化氮（nitric oxide，NO）染色评估通道内内皮细胞的生物活性，并通过倒置荧光显微镜进行观察；使用数字注射泵模拟人体血液流动，采用2024年3-6月于重庆医科大学附属永川医院献血站10例健康成人献血者的新鲜血液，实验分为健康成人全血组、TNF-α激活内皮细胞+健康成人全血组及TNF-α激活内皮细胞+TNF-α激活全血组（血液均混合钙黄绿素染色剂），各组均设置37.8、11.1、3.5 μL/min ３种入口血液流速。设置生理盐水组与重组组织型纤溶酶原激活剂（recombinant human tissue-type plasminogen activator，rtPA）组，应用内皮化微流控芯片血栓模型验证溶栓效果；采用细胞核染色与NO染色，结合内皮化微流控血栓模型，评估生理盐水与rtPA在不同干预阶段（血栓形成前、血栓形成后及溶栓后）对内皮细胞功能的影响。
结果
2
成功构建了三级微流控芯片血管模型，其直径分别为300、200和100 μm；内皮细胞注入培养72 h后，完全覆盖管壁，光学显微镜和细胞骨架染色显示细胞间排列紧密；JC-1和NO染色证实内皮细胞生物活性良好；相同流速下，与全血组比较，TNF-α激活内皮细胞+健康成人全血组与TNF-α激活内皮细胞+TNF-α激活全血组均观察到通道内血栓面积比率明显增加（
P
<
0.001）；且3.5 μL/min流速下TNF-α激活内皮细胞+TNF-α激活全血组血栓面积比率显著高于其余组（
P
<
0.001）；rtPA组的溶栓效果显著强于生理盐水组（
P
<
0.001），不同干预阶段微流控芯片通道内内皮细胞贴壁良好，血栓形成可造成微流控芯片通道内内皮细胞NO分泌增多（
P
<
0.001）。
结论
2
成功构建具有视网膜血管体系空间结构和生物活性的微流控芯片模型，并应用于视网膜血管血栓形成与药物溶栓效果验证，为视网膜血管血栓类疾病的研究提供体外模型。
Abstract
Objective To develop an endothelialized microfluidic chip model that simulates the spatial architecture and bioactivity of retinal vasculature
enabling thrombosis modeling and thrombolytic efficacy validation. Methods A tri-level microvascular network chip (300/200/100 μm diameters) with bifurcated architecture was fabricated using soft lithography. Human retinal microvascular endothelial cells (HRMECs) were perfused into channels
with endothelial coverage monitored
via
phase-contrast microscopy and F-actin staining. Cellular bioactivity was assessed using mitochondrial membrane potential probes (5
5
6
6-Tetrachloro-1
1
3
3-tetrae
thylbenzimidazolylcarbocyanine iodide
JC-1) and nitric oxide (NO) quantification. Fresh blood samples from 10 healthy donors (Yongchuan Hospital Affiliated to Chongqing Medical University
March to June 2024) were perfused with digital injection pump to mimic blood flow in human body into 3 experimental groups: normal whole blood
and TNF-α-activated endothelium+normal blood
TNF-α-activated endothelium+TNF-α-treated blood. Three inlet blood flow rates of 37.8、11.1 and 3.5 μL/min were set in each group.Two experimental groups
normal saline and recombinant human tissue-type plasminogen activator (rtPA)
were established using the endothelialized microfluidic thrombosis model to validate thrombolytic efficacy. Endothelial functional impacts were assessed through integrated DAPI/NO staining and thrombosis model analysis across 3 intervention phases: pre-thrombosis
post-thrombosis
and post-thrombolysis. Results A tri-level microfluidic vascular model (300/200/100 μm diameters) was successfully constructed. In 72 h after endothelial cell perfusion
complete channel coverage was achieved
with phase-contrast microscopy and F-actin staining confirming confluent cellular alignment. JC-1/NO assays validated preserved endothelial bioactivity. Compared with the whole blood group
both TNF-α-activated endothelium+normal blood and TNF-α-activated endothelium+TNF-α-treated blood groups exhibited significantly increased thrombus occupancy rates at identical flow rates (all
P
<
0.001). Notably
TNF-α-activated endothelium+TNF-α-treated blood group demonstrated the highest thrombus ratio at 3.5 μL/min (
P
<
0.001). The rtPA group showed superior thrombolytic efficacy versus saline (
P
<
0.001). Endothelial monolayer integrity was maintained across intervention phases
with thrombosis triggering significant NO elevation (
P
<
0.001). Conclusion Our retinal vasculature-mimetic microfluidic model enables precise thrombosis modeling and drug evaluation
provi
ding new methodology for studying retinal vascular occlusive diseases.
关键词
Keywords
references
袁航 ， 谢立科 ， 罗傑 ， 等 . 视网膜动脉阻塞危险因素和治疗的研究现状 ［J］. 国际眼科杂志 ， 2021 ， 21 （ 3 ）： 446 - 449 . DOI： 10.3980/j.issn.1672-5123.2021.3.13 http://dx.doi.org/10.3980/j.issn.1672-5123.2021.3.13 .
YUAN H ， XIE L K ， LUO J ， et al . Review about risk factors and treatment in retinal artery occlusion ［J］. Int Eye Sci ， 2021 ， 21 （ 3 ）： 446 - 449 . DOI： 10.3980/j.issn.1672-5123.2021.3.13 http://dx.doi.org/10.3980/j.issn.1672-5123.2021.3.13 .
CHEN T Y ， UPPULUR A ， ZARBIN M A ， et al . Risk factors for central retinal vein occlusion in young adults ［J］. Eur J Ophthalmol ， 2021 ， 31 （ 5 ）： 2546 - 2555 . DOI： 10.1177/1120672120960333 http://dx.doi.org/10.1177/1120672120960333 .
胡帅 ， 迟凯耀 ， 郑燕林 . 基于易栓症相关风险因素的视网膜静脉阻塞发病机制 ［J］. 中医眼耳鼻喉杂志 ， 2023 ， 13 （ 2 ）： 109 - 112 . DOI： 10.3969/j.issn.1674-9006.2023.02.013 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-9006.2023.02.013 .
HU S ， CHI K Y ， ZHENG Y L . Research progress on risk factors of retinal vein occlusion associated with thrombolysis ［J］. J Chin Ophthalmol Otorhinolaryngol ， 2023 ， 13 （ 2 ）： 109 - 112 . DOI： 10.3969/j.issn.1674-9006.2023.02.013 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-9006.2023.02.013 .
王文吉 . 视网膜血管炎 ［J］. 中国眼耳鼻喉科杂志 ， 2014 ， 14 （ 2 ）： 69 - 73 . DOI： 10.14166/j.issn.1671-2420.2014.02.012 http://dx.doi.org/10.14166/j.issn.1671-2420.2014.02.012 .
WANG W J . Retinal vasculitis ［J］. Chin J Ophthalmol Otorhinolaryngol ， 2014 ， 14 （ 2 ）： 69 - 73 . DOI： 10.14166/j.issn.1671-2420.2014.02.012 http://dx.doi.org/10.14166/j.issn.1671-2420.2014.02.012 .
AMERI H ， RATANAPAKORN T ， RAO N A ， et al . Natural course of experimental retinal vein occlusion in rabbit； arterial occlusion following venous photothrombosis ［J］. Graefe Arch Clin Exp Ophthalmol ， 2008 ， 246 （ 10 ）： 1429 - 1439 . DOI： 10.1007/s00417-008-0878-4 http://dx.doi.org/10.1007/s00417-008-0878-4 .
KHAYAT M ， LOIS N ， WILLIAMS M ， et al . Animal models of retinal vein occlusion ［J］. Invest Ophthalmol Vis Sci ， 2017 ， 58 （ 14 ）： 6175 - 6192 . DOI： 10.1167/iovs.17-22788 http://dx.doi.org/10.1167/iovs.17-22788 .
VIEIRA M J ， CAMPOS A ， DO CARMO A ， et al . Thrombophilic risk factors for retinal vein occlusion ［J］. Sci Rep ， 2019 ， 9 （ 1 ）： 18972 . DOI： 10.1038/s41598-019-55456-5 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-019-55456-5 .
VESTERGAARD N ， CEHOFSKI L J ， HONORÉ B ， et al . Animal models used to simulate retinal artery occlusion： a comprehensive review ［J］. Transl Vis Sci Technol ， 2019 ， 8 （ 4 ）： 23 . DOI： 10.1167/tvst.8.4.23 http://dx.doi.org/10.1167/tvst.8.4.23 .
AYYOUB S ， ORRIOLS R ， OLIVER E ， et al . Thrombosis models： an overview of common in vivo and in vitro models of thrombosis ［J］. Int J Mol Sci ， 2023 ， 24 （ 3 ）： 2569 . DOI： 10.3390/ijms24032569 http://dx.doi.org/10.3390/ijms24032569 .
王莎 ， 刘斯琪 ， 丁鹏敏 ， 等 . 体外模型在中药代谢研究中的应用 ［J］. 药学进展 ， 2020 ， 44 （ 2 ）： 119 - 132 . DOI： 10.1016/j.aps.2020.01.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.aps.2020.01.002 .
WANG S ， LIU S Q ， DING P M ， et al . Application of in vitro models in metabolism of traditional Chinese medicines ［J］. Prog Pharm Sci ， 2020 ， 44 （ 2 ）： 119 - 132 . DOI： 10.1016/j.aps.2020.01.002 http://dx.doi.org/10.1016/j.aps.2020.01.002 .
陶玏 ， 杜红艳 . 同型半胱氨酸与多种眼疾病的关联及机制探究 ［J］. 内蒙古医学杂志 ， 2024 ， 56 （ 4 ）： 464 - 467 . DOI： 10.16096/J.cnki.nmgyxzz.2024.56.04.017 http://dx.doi.org/10.16096/J.cnki.nmgyxzz.2024.56.04.017 .
TAO L ， DU H Y . Relationship between homocysteine and various eye diseases and its mechanism ［J］. Inn Mong Med J ， 2024 ， 56 （ 4 ）： 464 - 467 . DOI： 10.16096/J.cnki.nmgyxzz.2024.56.04.017 http://dx.doi.org/10.16096/J.cnki.nmgyxzz.2024.56.04.017 .
VALERIANI E ， PACIULLO F ， PORFIDIA A ， et al . Antithrombotic treatment for retinal vein occlusion： a systematic review and meta-analysis ［J］. J Thromb Haemost ， 2023 ， 21 （ 2 ）： 284 - 293 . DOI： 10.1016/j.jtha.2022.10.003 http://dx.doi.org/10.1016/j.jtha.2022.10.003 .
牛浩宇 ， 余萍 . Faricimab玻璃体腔内注射治疗视网膜静脉阻塞的研究进展 ［J］. 眼科学报 ， 2024 ， 39 （ 11 ）： 586 - 592 . DOI： 10.1016/j.ophtha.2024.01.029 http://dx.doi.org/10.1016/j.ophtha.2024.01.029 .
NIU H Y ， YU P . Advances in the treatment of retinal vein occlusion with Faricimab intravitreal injection ［J］. Eye Sci ， 2024 ， 39 （ 11 ）： 586 - 592 . DOI： 10.1016/j.ophtha.2024.01.029 http://dx.doi.org/10.1016/j.ophtha.2024.01.029 .
李远 ， 刘北忠 ， 龚放 ， 等 . 基于微流控芯片技术的体外微血管网络模型构建及血液动力学研究 ［J］. 军事医学 ， 2014 ， 38 （ 11 ）： 885 - 889 . DOI： 10.7644/j.issn.1674-9960.2014.11.011 http://dx.doi.org/10.7644/j.issn.1674-9960.2014.11.011 .
LI Y ， LIU B Z ， GONG F ， et al . Construction of a micro-vascular network model in vitro by microfluidic technology for hemodynamic investigations ［J］. Mil Med Sci ， 2014 ， 38 （ 11 ）： 885 - 889 . DOI： 10.7644/j.issn.1674-9960.2014.11.011 http://dx.doi.org/10.7644/j.issn.1674-9960.2014.11.011 .
GAO X M ， ZHANG T C ， HUANG X J ， et al . Impact of rise and fall phases of shear on platelet activation and aggregation using microfluidics ［J］. J Thromb Thrombolysis ， 2024 ， 57 （ 4 ）： 576 - 586 . DOI： 10.1007/s11239-024-02968-1 http://dx.doi.org/10.1007/s11239-024-02968-1 .
LI Y ， LU Y ， CHEN Q ， et al . Probing of peripheral blood mononuclear cells anchoring on TNF-α challenged-vascular endothelia in an in vitro model of the retinal microvascular ［J］. Biomed Microdevices ， 2017 ， 19 （ 3 ）： 54 . DOI： 10.1007/s10544-017-0194-z http://dx.doi.org/10.1007/s10544-017-0194-z .
李远 ， 刘北忠 ， 龚放 ， 等 . 一种圆形横截面PDMS微血管模型的构建 ［J］. 纳米技术与精密工程 ， 2015 （ 1 ）： 50 - 55 . DOI： 10.13494/j.npe.20140054 http://dx.doi.org/10.13494/j.npe.20140054 .
LI Y ， LIU B Z ， GONG F ， et al . Construction of a circular cross-section PDMS microvascular model ［J］. Nanotechnol Precis Eng ， 2015 （ 1 ）： 50 - 55 . DOI： 10.13494/j.npe.20140054 http://dx.doi.org/10.13494/j.npe.20140054 .
MAUTUIT T ， CUNNAC P ， TRUFFER F ， et al . Absolute retinal blood flow in healthy eyes and in eyes with retinal vein occlusion ［J］. Microvasc Res ， 2024 ， 152 ： 104648 . DOI： 10.1016/j.mvr.2023.104648 http://dx.doi.org/10.1016/j.mvr.2023.104648 .
王爽 ， 魏串串 ， 刘雪 ， 等 . 北京市40岁以上中老年人群视网膜血管直径的五年变化 ［J］. 眼科 ， 2018 ， 27 （ 6 ）： 438 - 442 . DOI： 10.13281/j.cnki.issn.1004-4469.2018.06.010 http://dx.doi.org/10.13281/j.cnki.issn.1004-4469.2018.06.010 .
WANG S ， WEI C C ， LIU X ， et al . 5-year changes of retinal vascular diameters in elderly population in Beijing ［J］. Ophthalmol China ， 2018 ， 27 （ 6 ）： 438 - 442 . DOI： 10.13281/j.cnki.issn.1004-4469.2018.06.010 http://dx.doi.org/10.13281/j.cnki.issn.1004-4469.2018.06.010 .
王玉雯 ， 李芙蓉 ， 袁容娣 . Gpr124对高糖环境下视网膜微血管内皮细胞增殖、迁移和血管形成的调控作用 ［J］. 陆军军医大学学报 ， 2024 ， 46 （ 18 ）： 2101 - 2109 . DOI： 10.16016/j.2097-0927.202403058 http://dx.doi.org/10.16016/j.2097-0927.202403058 .
WANG Y W ， LI F R ， YUAN R D . Regulatory effect of Gpr124 on proliferation， migration and angiogenesis of retinal microvascular endothelial cells under high-glucose condition ［J］. J Amry Med Univ ， 2024 ， 46 （ 18 ）： 2101 - 2109 . DOI： 10.16016/j.2097-0927.202403058 http://dx.doi.org/10.16016/j.2097-0927.202403058 .
ESCH M B ， POST D J ， SHULER M L ， et al . Characterization of in vitro endothelial linings grown within microfluidic channels ［J］. Tissue Eng Part A ， 2011 ， 17 （ 23-24 ）： 2965 - 2971 . DOI： 10.1089/ten.tea.2010.0371 http://dx.doi.org/10.1089/ten.tea.2010.0371 .
GOTTSCHALK B ， KOSHENOV Z ， MALLI R ， et al . Implications of mitochondrial membrane potential gradients on signaling and ATP production analyzed by correlative multi-parameter microscopy ［J］. Sci Rep ， 2024 ， 14 ： 14784 . DOI： 10.1038/s41598-024-65595-z http://dx.doi.org/10.1038/s41598-024-65595-z .
官福新 ， 周露露 ， 张宸豪 ， 等 . JC-1单染法检测CCCP对内皮细胞线粒体膜电位的影响 ［J］. 吉林医药学院学报 ， 2014 ， 35 （ 5 ）： 324 - 326 . DOI： 10.13845/j.cnki.issn1673-2995.2014.05.002 http://dx.doi.org/10.13845/j.cnki.issn1673-2995.2014.05.002 .
GUAN F X ， ZHOU L L ， ZHANG C H ， et al . Effect of CCCP on endothelial cells mitochondrial membrane potential by JC-1 single staining detection ［J］. J Jilin Med Coll ， 2014 ， 35 （ 5 ）： 324 - 326 . DOI： 10.13845/j.cnki.issn1673-2995.2014.05.002 http://dx.doi.org/10.13845/j.cnki.issn1673-2995.2014.05.002 .
张再丰 ， 王秀丽 ， 张赏月 ， 等 . 内源性一氧化氮对血管内皮细胞超氧化物歧化酶1活性及细胞凋亡的影响 ［J］. 中华实用儿科临床杂志 ， 2021 ， 36 （ 15 ）： 1176 - 1180 . DOI： 10.3760/cma.j.cn101070-20210517-00545 http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.cn101070-20210517-00545 .
ZHANG Z F ， WANG X L ， ZHANG S Y ， et al . Effects of endogenous nitric oxide on superoxide dismutase 1 activity and apoptosis of vascular endothelial cells ［J］. Chin J Appl Clin Pediatr ， 2021 ， 36 （ 15 ）： 1176 - 1180 . DOI： 10.3760/cma.j.cn101070-20210517-00545 http://dx.doi.org/10.3760/cma.j.cn101070-20210517-00545 .
TSAI M ， KITA A ， LEACH J ， et al . In vitro modeling of the microvascular occlusion and thrombosis that occur in hematologic diseases using microfluidic technology ［J］. J Clin Invest ， 2012 ， 122 （ 1 ）： 408 - 418 . DOI： 10.1172/JCI58753 http://dx.doi.org/10.1172/JCI58753 .
SWIERINGA F ， HEEMSKERK J W M ， ASSINGER A . Platelet activation and signaling in thrombus formation ［J］. Blood ， 2025 ： blood. 2024025320 . DOI： 10.1182/blood. 2024025320 http://dx.doi.org/10.1182/blood.2024025320 .
KIM M E ， LEE J S . Advances in the regulation of inflammatory mediators in nitric oxide synthase： implications for disease modulation and therapeutic approaches ［J］. Int J Mol Sci ， 2025 ， 26 （ 3 ）： 1204 . DOI： 10.3390/ijms26031204 http://dx.doi.org/10.3390/ijms26031204 .
AUGUSTIN H G ， KOH G Y . A systems view of the vascular endothelium in health and disease ［J］. Cell ， 2024 ， 187 （ 18 ）： 4833 - 4858 . DOI： 10.1016/j.cell.2024.07.012 http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.012 .
HROVATIN K ， SIKKEMA L ， SHITOV V A ， et al . Considerations for building and using integrated single-cell atlases ［J］. Nat Methods ， 2025 ， 22 （ 1 ）： 41 - 57 . DOI： 10.1038/s41592-024-02532-y http://dx.doi.org/10.1038/s41592-024-02532-y .
QIU Y Z ， LIN J ， WANG A ， et al . Clinically relevant clot resolution via a thromboinflammation-on-a-chip ［J］. Nature ， 2025 . DOI： 10.1038/s41586-025-08804-7 http://dx.doi.org/10.1038/s41586-025-08804-7 .
0
Views
0
下载量
0
CSCD
- L-PDFDownload
- WORDDownload
- Meta-XMLDownload
- BibTeXDownload
- EndnoteDownload
- RefMan Download
- NoteExpressDownload
- NoteFirstDownload
Publicity Resources
Related Articles
Related Author
Related Institution
- Technical support is provided by Beijing Founder electronics co., LTD 京ICP备09064830号-19
京公网安备11010802024621 - It is recommended to read the content of this site in Chrome&IE9+. Please switch to extreme mode in browser 360.
- Cookies We use cookies to help provide and enhance our service and tailor content. By continuing, you agree to the use of cookies.
