人脑动静脉畸形生物力学模型及其体外构建方法技术

本发明专利技术涉及一种人脑动静脉畸形循环模拟系统及其构建方法，所述系统包括依次连接并构成供血动脉模型循环回路的动力泵、气体置换装置、压力传感器、畸形血管模型和正常脑微血管模型以及储液瓶；其中畸形血管模型和正常脑微血管模型并联设置。本发明专利技术提供一种人脑动静脉畸形生物力学模型的体外建立方法，用于开展脑血管流体动力学、细胞生物学以及血管畸变机制的研究。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于基础医学的脑血管疾病实验研究领域，具体涉及人脑动静脉畸形生物力学体外模型及其体外构建方法。
技术介绍
人脑动静脉畸形为中枢神经系统最为常见的一类血管畸形，其形态学特征为动脉和静脉直接勾通，中间缺少毛细血管网，故其血流动力学表现为畸形血管团内高流量和流速，周围脑组织慢性低灌注和静脉压升高。现有两种脑动静脉畸形的动物模型，一种是采用幼年动物的颅内外血管吻合形成动静脉瘘，另一种是利用生物工程技术干扰胚胎期脑血管发育相关基因表达。随着上述模型动物的生长发育，可在其脑组织中观测到畸形血管。尽管动物模型能够部分模拟脑动静脉畸形的血流动力学和脑组织病理变化，但实验周期长，成模率低，还不可避免地存在种属差异。其次，动物的脑血液动力学指标(如脑灌注压、血流切应力等)和脑局部生化指标(如氧含量、细胞因子表达)，测量和计算起来耗时长、耗材大。另外，由于活体实验环境和条件的可控性差，使实验结果受到体内其他诸多因素的影响。现用的体外模型是根据人脑动静脉畸形的血管构筑学特征，采用玻璃、硅胶和聚乙烯等材料制成的泵驱动管道循环系统。在计算机流体力学软件辅助下，该体外模型能够较好模拟畸形血管的血液动力学特征，但不能进行血管生物学行为的相关研究，也无法检测流体力学变化对畸形血管细胞形态学以及细胞因子表达的影响。利用上述实验模型和方法，均难以明确血管内皮细胞力—生化信号的耦合机制，以及由此导致的血管畸变过程。目前尚无符合人脑动静脉畸形血管构筑学特征，又兼具其生物力学特点的体外实验模型。
技术实现思路
本专利技术提供一种人脑动静脉畸形生物力学模型及其体外建立方法，用于开展脑血管流体动力学、细胞生物学以及血管畸变机制的研究。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种人脑动静脉畸形循环模拟系统，主要由相互连接的动力泵、压力传感器、气体置换装置、储液瓶、畸形血管团模型和正常脑微血管模型组成。根据人脑动静脉畸形的血管构筑学和血流动力学特征(脑动脉和静脉直接沟通血流阻力降低，流量和流速增高，同时对其周围正常脑微血管产生分流作用)，将畸形血管和正常脑微血管模型并联设置。流经气体置换装置的供血动脉模型为晶体硅管，可以允许管壁内外的O2/CO2进行气体交换。畸形血管和正常脑微血管模型为微孔聚丙烯材料制成的空心纤维管，直径与体内的病理和生理形态相当，置于设有取样孔的密闭小室。空心纤维管的微孔既允许细胞分泌的大分子物质通过，又可以安置测量细胞电阻的微电极。压力传感器设于供血动脉模型内，循环系统流体压力(80～300mmHg)通过显示器读取。人脑动静脉畸形血管内皮细胞的分离及培养：可以采用公知的分离及培养方法，或者采用专利技术人已报道的组织块贴壁法(中华神经外科杂志，2005，21(6):375-378；中国临床康复，2005，9(9):55-57；NeuroscienceLetters,2013,548:21-26)。主要步骤如下：将手术切除的人脑动静脉畸形新鲜标本用生理盐水冲洗干净，将畸形血管剥去外膜后纵行剪开，显微镜下切成1.5mm2血管组织块，内皮面朝下贴于培养瓶底部，置于37℃培养箱中10分钟，然后沿瓶壁加入M199(GibcoBRL)培养液于37℃、体积分数0.05CO2培养箱中培养。内皮细胞贴壁后，D-Hanks液冲洗、吸除组织块和未贴壁细胞，显微镜下细胞刷刮除平滑肌细胞核成纤维细胞，贴壁细胞继续培养至单层融合状态。人脑微血管内皮细胞的分离及培养：可以采用公知的分离及培养方法，或者采用专利技术人已报道的微血管段法(中华神经外科杂志，2005，21(6):375-378；基础医学与临床,2006,26(5):508-512)。主要步骤如下：收集畸形血管周围粘连的新鲜大脑皮质，经过机械研磨和微孔尼龙网过滤，收集网上微血管段，采用胶原酶消化后离心沉淀微血管段，添加细胞生长液稀释后种植入明胶覆盖的培养瓶中，置37℃培养箱中孵育1小时，更换培养液，以便除去未能贴壁的微血管段。为了使内皮细胞生长良好，原代期选用内皮细胞生长添加剂催化。人脑动静脉畸形生物力学体外模型的建立1)采用纤维连接蛋白(5.0μg/cm2)包被畸形血管和正常脑微血管模型的管腔面，以促进内皮细胞贴壁生长。2)人脑动静脉畸形血管内皮细胞密度稀释为1×105/cm2，种植于畸形血管模型的管腔内，添加细胞生长液孵育4小时后弃除细胞液，D-Hanks液冲洗掉未贴壁的细胞，然后将畸形血管模型置回密闭小室，添加细胞生长液继续培养1周。3)正常脑微血管模型的构建，血管内皮细胞的种植密度不少于5×105/cm2，种植于正常脑微血管模型的管腔内，添加细胞生长液孵育4小时后弃除细胞液，D-Hanks液冲洗掉未贴壁的细胞，然后将正常脑微血管模型置回密闭小室，添加细胞生长液继续培养1周。4)启动动力泵驱动循环模拟系统(即上述人脑动静脉畸形循环模拟系统)：系统在37℃下工作，灌流液泵出后流经气体置换装置，继经模拟的供血动脉管道流入畸形血管和正常脑微血管模型，形成对内皮细胞的流体力学作用，然后经模拟的引流静脉管道流回至储液瓶。进一步通过调节动力泵驱动功率，使储液瓶内的灌流液按照一定的流速和流量重新进入循环系统。动力泵驱动循环模拟系统中灌流液流动路线如图1。5)灌流液选用无血清的D-Hanks液，每隔2小时测量一次跨内皮细胞电阻，当电阻测量值超过900Ω·cm2时，表明人脑微血管模型的血脑屏障功能形成。优选的，应当将系统流体切应力调节在较低水平。6)本专利技术不仅模拟人脑动静脉畸形的血流动力学和生物学行为，而且其流体动力学和理化参数可以根据实验需要进行调节，分子生物学指标可实时检测。另外，此模型实验具有省时、可重复以及实验条件可控性好等优点，有利于筛查内皮细胞的切应力-生物信号耦合机制及其关键的调控因子。附图说明图1为畸形血管模型；图2为正常脑微血管模型；图3为血脑屏障模型；图4为人脑动静脉畸形循环模拟系统中灌流液流动路线图；其中：1平滑肌细胞，2AVM内皮细胞，3微孔，4星形胶质细胞，5血管内皮细胞，6动力泵，7气体置换装置，8压力传感器，9取样装置，10取样孔，11储液瓶，12微电极插孔,14开关，15供血动脉模型循环回路。具体实施方式为进一步理解本专利技术，下面结合实施例对上述的技术方案做进一步的阐述和说明。实施例1：利用本专利技术所述方法观测流体力学变化对人脑动静脉畸形血管内皮细胞生长因子表达的影响。将手术切除的人脑动静脉畸形新鲜标本用生理盐水冲洗干净，将畸形血管剥去外膜后纵行剪开，显微镜下切成1.5mm2血管组织块，内皮面朝下贴于培养瓶底部，置于37℃培养箱中10分钟，然后沿瓶壁加入M199(GibcoBRL)培养液于37℃、体积分数0.05CO2培养箱中培养。内皮细胞贴壁后，D-Hanks液冲洗、吸除组织块和未贴壁细胞，显微镜下细胞刷刮除平滑肌细胞核成纤维细胞，贴壁细胞继续培养至单层融合状态。采用纤维连接蛋白(5.0μg/cm2)包被人脑动静脉畸形血管模型的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人脑动静脉畸形循环模拟系统，其特征在于：所述系统包括依次连接并构成供血动脉模型循环回路的动力泵、气体置换装置、压力传感器、畸形血管模型和正常脑微血管模型、以及储液瓶；其中畸形血管模型和正常脑微血管模型并联设置。

【技术特征摘要】
1.一种人脑动静脉畸形循环模拟系统，其特征在于：所述系统包括依次连接并
构成供血动脉模型循环回路的动力泵、气体置换装置、压力传感器、畸形血
管模型和正常脑微血管模型、以及储液瓶；其中畸形血管模型和正常脑微血
管模型并联设置。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：流经气体置换装置的供血动脉模型
为晶体硅管，可以允许管壁内外的O2/CO2进行气体交换。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征是：压力传感器设于供血动脉模型内，
循环系统流体压力示数经功放器和与之相连接的显示器读取。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征是：所述循环系统流体压力为
80～300mmHg。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述畸形血管和正常脑微血管模型
为微孔聚丙烯材料制成的空心纤维管，直径与体内的病理和生理形态相当，
置于取样装置中设有取样孔的密闭小室。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征是：畸形血管模型和正常脑微血管模型
分别放置于取样装置中。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征是：所述取样装置上设有微电极插孔。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征是：所述空心纤维管的微孔既允许细胞
分泌的大分子物质通过，又可以安置测量细胞电阻的微电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明光，张海峰，
申请(专利权)人：赵明光，张海峰，赵丽萍，
类型：发明
国别省市：辽宁;21