基于患者的3D打印的腦動脈瘤模型中壁切應(yīng)力的遺傳相關(guān)性

供稿人:朱思堯、王玲

近期，美國華盛頓大學(xué)神經(jīng)外科的研究人員研究了針對患者的三維（3D）打印的腦動脈瘤模型中壁切應(yīng)力與內(nèi)皮細(xì)胞表達之間的相關(guān)性。他們發(fā)現(xiàn)建立以人內(nèi)皮細(xì)胞為載體的腦動脈瘤三維模型是可行的。并對流動后的細(xì)胞進行分析，表明細(xì)胞形態(tài)和基因表達都存在差異，與不同的血流動力學(xué)應(yīng)力區(qū)域有關(guān)。

該研究根據(jù)患者的血管造影數(shù)據(jù)創(chuàng)建3D打印的腦動脈瘤模型，如圖1所示。用人內(nèi)皮細(xì)胞填充模型后，將其在流動條件下放置于培養(yǎng)基中24小時。內(nèi)皮形態(tài)顯示近端和遠(yuǎn)端親代血管和動脈瘤頸中的血流具有一致性，但在動脈瘤穹頂中紊亂。然后從3D打印的模型的不同區(qū)域收獲內(nèi)皮細(xì)胞，通過定量聚合酶鏈反應(yīng)（qPCR）進行內(nèi)皮細(xì)胞遺傳分析關(guān)鍵血管因子（VCAM-1，ADAMTS-1，MMP-9，GJA4和NOS3），發(fā)現(xiàn)ADAMTS-1和NOS3在動脈瘤圓頂中下調(diào)，而GJA4在遠(yuǎn)端親代血管中上調(diào)。通過計算流體動力學(xué)模擬，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)的混亂和ADAMTS-1和NOS3表達降低與壁剪切應(yīng)力和壁剪切應(yīng)力梯度明顯較低的區(qū)域相關(guān)，如圖2所示。

圖1. （A）在治療過程中獲得的動脈瘤的三維旋轉(zhuǎn)血管造影照片，可用于創(chuàng)建3D打印的模型和計算流體動力學(xué)模擬。（B）基于（A）中血管造影照片的3D打印的患者特定動脈瘤模型。（C）具有開放腔的預(yù)制聚二甲基硅氧烷動脈瘤模型，可用于細(xì)胞接種和灌注

圖2. 患者動脈瘤的特定計算流體動力學(xué)模擬（A）速度流線型，（B）壁剪應(yīng)力（WSS），（C）墻剪應(yīng)力梯度（WSSG）

該研究創(chuàng)建3D打印的人類動脈內(nèi)皮細(xì)胞填充的腦動脈瘤是可行的，對暴露于生理性脈動流24小時后收集的細(xì)胞，進行形態(tài)和遺傳分析可以量化內(nèi)皮對血流動力學(xué)應(yīng)激的反應(yīng)。

參考文獻：
Levitt M R , Mandrycky C , Abel A , et al. Genetic correlates of wall shear stress in a patient-specific 3D-printed cerebral aneurysm model[J]. Journal of NeuroInterventional Surgery, 2019.

供稿人:朱思堯、王玲 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室