本研究由Tengqi Li（北京中日友好医院临床医学院）、Yadi Liu（北京化工大学生命科学与技术学院）、Qingyu Zhang（山东第一医科大学附属山东省立医院）、Wei Sun（北京中日友好医院骨科）和Yiyang Dong（北京化工大学生命科学与技术学院）共同完成，成果发表于2021年的《Experimental and Therapeutic Medicine》期刊第22卷第1070页。论文题为”A steroid‑induced osteonecrosis model established using an organ‑on‑a‑chip platform”，聚焦于股骨头坏死（osteonecrosis of the femoral head, ONFH）的发病机制研究。
股骨头坏死是一种常见且难治的骨关节病，糖皮质激素（glucocorticoid）是其非创伤性坏死的主要诱因。该病的核心特征是股骨头血供障碍导致骨与骨髓细胞坏死，最终引发股骨头塌陷和髋关节病变。尽管存在脂代谢紊乱、血管内凝血和免疫复合物沉积等多种假说，但骨组织微循环障碍被认为是关键通路。作为微循环的重要组成部分，骨微血管内皮细胞（bone microvascular endothelial cells, BMECs）的损伤与疾病进展密切相关。近年来，微流控器官芯片（microfluidic organ‑on‑a‑chip）技术的快速发展为模拟病理过程提供了新工具。本研究旨在通过微流控芯片平台培养BMECs，探究糖皮质激素诱导的细胞凋亡机制及淫羊藿苷（icariin）的保护作用。
研究分为两部分：第一部分比较BMECs与人脐静脉内皮细胞（human umbilical vein endothelial cells, HUVECs）在芯片中的生长差异，并评估羟基磷灰石（hydroxyapatite, HA）对BMECs的促生长作用；第二部分研究不同浓度地塞米松（dexamethasone）对BMECs的损伤效应及淫羊藿苷的保护机制。
研究团队采用SU-8光刻技术制造微流控芯片模具，通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇注制成四通道芯片。芯片包含药物灌注通道、细胞微通道、含VEGF培养基通道和细胞外基质（ECM）模拟区，通过微柱结构分隔通道，实现三维细胞培养和实时观察。
从10例55-60岁男性患者的股骨头中提取BMECs。通过胶原酶I和胰蛋白酶消化后，采用CD31微珠分选技术纯化细胞。免疫荧光检测显示，分离的BMECs高表达内皮标志物CD31和血管性血友病因子（von Willebrand factor, vWF），纯度达研究要求。
第一部分分为三组：A组（HUVECs）、B组（BMECs对照组）、C组（BMECs+0.2% HA共培养组）。将细胞与基质胶原混合后注入芯片通道，24小时后通过鬼笔环肽（phalloidin）和DAPI染色观察细胞形态。共聚焦显微镜分析显示，BMECs比HUVECs更易形成类血管结构（p<0.05），HA共培养显著提升BMECs存活率和细胞骨架覆盖率（p<0.05）。
第二部分分为四组：D组（空白对照）、E组（0.4 mg/ml地塞米松）、F组（0.6 mg/ml地塞米松）、G组（淫羊藿苷预处理+0.6 mg/ml地塞米松）。通过Caspase-3/7荧光检测发现，高浓度地塞米松显著增加凋亡蛋白表达（p<0.05），导致细胞骨架解体；淫羊藿苷预处理组凋亡蛋白水平显著低于F组（p<0.05），细胞形态保持完整。
本研究首次将微流控芯片技术应用于股骨头坏死模型构建，证实糖皮质激素通过激活Caspase-3/7途径诱导BMECs凋亡，而淫羊藿苷可通过抑制该通路发挥保护作用。科学价值体现在： 1. 技术创新：开发了可模拟骨微环境的PDMS芯片，实现三维动态观察； 2. 机制阐释：明确了凋亡信号通路在糖皮质激素性骨坏死中的作用； 3. 治疗靶点：为淫羊藿苷的临床应用提供了实验依据。
研究还发现，芯片中BMECs的管腔形成能力优于传统培养，提示三维微环境对细胞功能具有重要调控作用。此外，芯片平台可扩展用于其他骨相关疾病模型的构建，如骨质疏松或骨肿瘤研究。