粘度变化影响血管内皮细胞功能的微尺度力学机制研究

Blood viscosity is essential to maintain microvascular function, although the regulatory mechanisms by viscosity modification in microcirculation are still unclear. Based on the previous study supported by NSFC, we herein focus on nanomechanical mechanisms of living bio-functional interface formed by endothelial cells, plasma and red blood cells. Research system on correlation among cells and fluidic medium will be established, and direct influence of viscosity changes on mechanical properties and structure of endothelial cells will be observed. System of microfluidic luminar flow shear stress will be developed using microfluidics technologies. Endothelial cells are exposed to different shear rate and viscosity. Integrin, cytoskeleton, Ca2+, NO and ET-1 are detected. Combination effect between shear rate and viscosity in microcirculation will be investigated. Meanwhile, in vivo study in animal models of hemorrhagic shock and hemodilution will be performed. Cardiac function, hemodynamics, and microcirculation will be detected after infusion of plasma expander and red blood cell suspensions with different viscosity. Influence on oxidative stress, ischemic reperfusion, and inflammation injury by changes of blood/plasma viscosity will be investigated. This study will be beneficial to explore nanomechanical mechanisms of correlation among vascular, blood, and blood flow in microcirculation. New ideas about development and treatment of cardiovascular diseases, diabetes, shock and so on will be attained.

血液粘度对维持微血管功能至关重要，其具体机制尚不清。本项目在完成国家自然科学基金青年科学基金项目基础上，拟从血管内皮细胞（EC）/血浆/红细胞活体生物功能界面的微尺度力学机制研究入手，探讨粘度变化对EC功能的影响。建立体外EC、红细胞与液体介质相互作用的体系，将粘度作为物理微环境，研究其变化是否直接影响EC的微尺度力学特性和结构。基于微流控技术建立微流道层流剪切体系，观察剪切速率变化条件下，不同粘度对EC中Integrin、细胞骨架、胞内Ca2+、NO和ET-1等的影响，探讨微循环中粘度和剪切速率对EC功能的影响及其联合效应。同时，在整体动物层次上应用机制研究的结果，利用失血性休克或血液稀释动物模型，探讨血液与血浆粘度变化对微循环和大循环的影响及其机制。本研究将有助于揭示微循环中血管/血液/血流体系中的微尺度力学机制，为心脑血管疾病、糖尿病和休克等的发生、发展和治疗提供新的理念。

本课题基于粘度变化影响血管内皮细胞功能这一出发点展开研究。首先，建立了细胞与液体介质的相互作用体系，并着重就粘度的改变对红细胞流变学特性的影响进行体内外研究；其次，建立数学模型，模拟细胞与液体介质的相互作用，从细胞水平观察血液粘度改变引起的剪应力变化对血管内压力降、流速、静流层宽度及壁面剪应力等的影响，从理论上明确粘度调节微循环的作用；第三，建立原子力显微镜、微流控体系等不同细胞力学特性检测方法，明确剪应力对细胞的微尺度力学特性的影响；最后，研究了不同基底图案引起的力学改变对内皮细胞功能的影响。本课题完成了从方法学研究到生物学检测的一系列工作，从数学模拟、体外检测、细胞水平、动物水平等不同角度对粘度变化影响细胞功能这一科学问题进行了深入系统的研究，对于阐述“粘度变化影响血管内皮细胞功能的微尺度力学机制研究”具有重要意义。