学术研究报告：基于器官型微流控模型的单核细胞向滑膜迁移机制研究

一、研究团队与发表信息
本研究由意大利IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi的Carlotta Mondadori、Silvia Lopa等团队主导，联合米兰理工大学等机构合作完成，发表于2021年7月的期刊《Biofabrication》（Volume 13, Article 045001）。研究通过微流控技术构建了类关节器官芯片模型，探索骨关节炎（Osteoarthritis, OA）中单核细胞向滑膜迁移的机制及潜在治疗策略。

二、学术背景与研究目标
骨关节炎（OA）是一种以关节软骨退变为核心的全身性关节疾病，近年研究发现滑膜炎症（synovitis）和巨噬细胞浸润是OA进展的关键因素。这些巨噬细胞来源于循环系统中的单核细胞（monocyte），其通过血管外渗（extravasation）进入滑膜并促发炎症。然而，传统研究模型（如Boyden小室）无法模拟三维动态的关节微环境。因此，本研究旨在开发一种器官型微流控芯片，整合滑膜、软骨和血管内皮结构，以重现单核细胞外渗过程，并评估OA滑液（synovial fluid）的化学趋化作用及CCR2/CCR5受体拮抗剂的干预效果。

三、研究流程与方法
1. 微流控芯片设计与制备
- 设计：芯片包含三个凝胶区（模拟滑膜和软骨）和两个流体通道（内皮通道和滑液通道），通过AutoCAD设计，采用SU-8光刻技术和聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制成型。
- 创新点：通道宽度（内皮通道200 μm，滑液通道400 μm）基于生理尺寸优化，梯形支柱结构防止凝胶泄漏。

1. 细胞培养与模型构建

   • 细胞来源：从OA患者膝关节置换术中获取滑膜成纤维细胞（SFBs）、关节软骨细胞（ACs）及滑液，健康供体血液中分离单核细胞（CD14+）。
     
   • 三维培养：SFBs和ACs嵌入纤维蛋白凝胶（fibrin gel，10 mg/mL），优化细胞密度（2.5×10^6 cells/mL）以维持>80%存活率。
     
   • 内皮化通道：人脐静脉内皮细胞（GFP-HUVECs）在纤维连接蛋白（fibronectin）包被的通道中形成连续单层，表达ICAM-1/VCAM-1黏附分子。
     

2. 动态预处理与功能验证

   • 流体剪切力：通过计算流体动力学（CFD）模拟确定剪切应力（0.04–0.22 dyne/cm²），结合肿瘤坏死因子-α（TNF-α，10 ng/mL）激活内皮细胞。
     
   • 通透性测试：70 kDa FITC-葡聚糖扩散实验证实内皮屏障完整性，10 kDa FITC-葡聚糖模拟趋化因子梯度。
     

3. 单核细胞外渗实验

   • 趋化因子组：CCL2/CCL3/CCL4/CCL5混合液或OA滑液注入滑液通道，单核细胞（4×10^6 cells/mL）注入内皮通道，18小时后通过共聚焦显微镜定量外渗细胞。
     
   • 药物干预：预孵育CCR2拮抗剂（RS-504393）或CCR2/CCR5双拮抗剂（Cenicriviroc, CVC）后评估外渗抑制效果。
     

四、主要研究结果
1. 模型验证
- 内皮预处理（剪切力+TNF-α）显著上调ICAM-1表达（p<0.01），促进单核细胞外渗。对照组（无趋化因子）中外渗细胞极少。
- OA滑液诱导的单核细胞外渗数量显著高于对照组（p<0.01），且外渗方向偏好滑液通道（#p<0.05）。

1. 药物筛选

   • CCR2/CCR5双拮抗剂（CVC）比单一CCR2拮抗剂（RS-504393）更有效抑制外渗（p<0.001），使外渗水平接近基线。
     

2. 机制发现

   • 滑膜成纤维细胞在TNF-α刺激下高表达ICAM-1，协同内皮细胞促进单核细胞迁移。
     
   • 时间推移成像显示外渗主要发生于前6小时，与内皮激活的瞬时性一致。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：首次在微流控模型中证实OA滑液直接诱导单核细胞跨内皮迁移，为OA炎症机制提供了直接实验证据。
2. 应用潜力：该模型可作为药物筛选平台，评估抗炎靶点（如CCR2/CCR5）的疗效，或研究外渗单核细胞对滑膜/软骨的后续影响。
3. 跨学科创新：结合组织工程、流体力学和免疫学，推动“器官芯片”在关节炎研究中的应用。

六、研究亮点
1. 技术突破：开发了首个模拟关节滑膜-软骨-血管互作的微流控模型，实现三维动态培养与实时观测。
2. 病理重现：使用患者原代细胞和滑液，增强临床相关性。
3. 治疗探索：明确CCR2/CCR5双靶点阻断策略的优越性，为OA药物开发提供新方向。

七、其他价值
研究数据已公开（DOI:10.¹⁰⁸⁸⁄₁₇₅₈-5090/ac0c5e），模型设计可扩展至类风湿性关节炎（Rheumatoid Arthritis, RA）等炎症性关节病研究。