近日，悉尼大学居理宁教授团队 （ 赵耘铎博士为第一作者 ） 在 Cell Biomaterials 发表题为 P atient-specific carotid artery-on-a-chip ‘ physical twin ’ dissects complex flow-dependent VWF mechanopresentation 的研究论文。该研究构建了一种患者特异性的颈动脉“物理孪生”（Physical Twin）芯片，将临床CTA重建的血管几何、人源I型胶原内皮下基质、人颈动脉内皮细胞、患者特异性血流环境以及激光诱导血管损伤整合到同一体外平台中。研究进一步结合计算流体力学、全血实时成像、分子通路干预和流动分子动力学模拟，揭示了血管几何与局部血流如何重塑VWF—血小板黏附通路的功能层级，并提出了基于血流力学表型选择抗栓治疗的概念框架。
颈动脉狭窄程度为何不足以预测卒中？
颈动脉粥样硬化是缺血性卒中的重要病因之一。目前，临床风险评估很大程度上依赖血管狭窄程度。然而，具有相似狭窄程度的患者可能出现完全不同的临床结局：部分患者长期稳定，另一些患者却会形成容易破裂和脱落的血栓，产生进入脑循环的栓子。
这一差异提示，卒中风险不仅取决于血管 的狭窄程度 ，还取决于患者血管的三维形态如何改变局部流速、剪切力、回流和血流分离，以及这些机械环境如何调控血小板与血管壁之间的分子黏附。
传统平行板流动腔通常施加均一剪切，理想化狭窄芯片则难以保留真实血管的分叉角度、偏心狭窄、局部曲率和溃疡结构。动物模型虽然具有完整生物学环境，但无法完整复现人类 血管内复杂的三维血流动力学环境 和凝血系统的力学响应。因此，能否将患者影像转化为一条可灌流、可损伤、可观察并可测试药物的真实微型血管 具有重大的科研和临床意义。
构建兼具几何、材料与细胞真实性的“物理孪生”
研究团队首先从6名患者的颈动脉CTA影像中重建个体化血管几何 构象 ，并经临床专家确认病变区域。随后，团队采用基于玻璃基底的数字光处理3D打印，以10 μm像素分辨率制造包含分叉、偏心狭窄和局部曲率的微结构模具。
为形成完整而非半圆形的血管腔，研究人员将数字血管沿轴向切分为两个互补部分，分别复制为PDMS结构，再通过精准对准和机械夹合重新组成封闭的全腔血管芯片。患者血管被缩小约20至30倍，入口直径约为200–300 μm，同时通过计算流体力学选择流量，以维持病变部位具有生理意义的局部剪切环境。
图1｜患者特异性颈动脉“物理孪生”的构建。 从临床CTA重建颈动脉几何，经高分辨率3D打印、软光刻、全腔组装、人源胶原功能化和人颈动脉内皮细胞培养，形成可用于全血灌流与实时血栓成像的患者特异性动脉芯片。
区别于仅复制血管形状的模型，该平台进一步引入高浓度中和人源I型胶原，通过“灌注—快速冲洗”的方式在管腔内形成薄而稳定的胶原层。其后，团队培养人颈动脉内皮细胞，并通过流动预适应促进动脉内皮表型。局部激光损伤去除约5–7个内皮细胞，暴露下方胶原，从而模拟斑块破裂或内皮损伤后形成的血栓微环境。
血栓大小不等于栓塞风险
计算流体力学结果显示，即使患者具有相似的狭窄程度，其病变区域仍可形成截然不同的局部血流环境。
在高剪切患者模型中，局部剪切率可超过约3,000 s ⁻ ¹ 。激光损伤后，血小板迅速聚集并形成较为紧密的血栓。在低剪切、扰动流患者模型中，血栓同样可以达到较大的体积，却反复经历“生长—脱落—再生长”的循环。
因此，单纯测量血栓面积或血小板总量可能无法反映其危险性：一个较大的血栓可能稳定附着，另一个大小相近的血栓却可能不断释放栓子。研究进一步发现，在平均剪切水平相匹配的情况下，脉动血流相较恒定流仍可抑制血栓生长和栓子脱落，说明血流的时间变化同样是决定血栓稳定性的关键因素。
高剪切下，VWF A1–GPIbα是血栓形成的“力学闸门”
VWF是一种对机械力高度敏感的多聚蛋白。静息状态下，VWF A1结构域受到N端和C端自抑制模块的遮蔽；在较高剪切或拉伸流中，VWF逐渐展开，暴露能够结合血小板GPIbα受体的位点。
研究团队利用5D2、6G1、caplacizumab、ARC1172和AK2等作用机制不同的抑制剂，对VWF A1–GPIbα轴进行多位点干预。
在高剪切患者模型中，无论从VWF一侧还是血小板GPIbα一侧阻断该通路，均可显著抑制血栓形成和栓子脱落，表明VWF的力诱导展开及其与GPIbα的结合构成高剪切血栓起始的关键步骤。
但在低剪切模型中，相同抑制剂未显著降低最终血栓负荷，提示胶原介导黏附及其他通路能够维持血小板募集。值得注意的是，结合VWF自抑制模块附近表位的6G1反而增加了低剪切条件下的栓子脱落，说明靶向同一蛋白不同构象区域的抑制剂可能产生不同甚至相反的机械后果。
VWF–αIIbβ₃连接 影响 血栓 稳定性
血小板募集后，整合素αIIbβ₃通过纤维蛋白原和VWF连接相邻血小板，形成承受流体载荷的血栓骨架。
团队比较了广泛阻断αIIbβ₃配体结合的tirofiban，以及选择性干预VWF–αIIbβ₃连接的152B6和LJ-P5。Tirofiban在高、低剪切模型中均显著抑制血栓生长和栓塞，表明αIIbβ₃介导的血小板聚集是血栓扩增的核心机制。
相比之下，152B6在低剪切模型中并未明显减小血栓，却显著增加其碎裂和脱落。研究者将这一表型定义为“脆性血栓”：血栓质量或面积并未减少，但机械完整性下降，更容易产生栓子。这一结果进一步说明，评价抗栓药物时不能只观察血栓体积，还需要同时测量血栓的动态稳定性和栓塞潜能。
从分子构象走向患者特异性用药
为解释不同VWF抑制剂的作用差异，研究团队进一步开展流动分子动力学模拟。模拟显示，静息VWF中自抑制模块可遮挡部分药物表位；随VWF在流动作用下展开，这些位点才逐渐暴露。不同抑制剂对VWF构象状态的依赖程度，由此可能影响其在不同血流区域中的作用。
最后，团队将患者几何、局部血流、血栓大小、栓塞频率和药物反应整合为一个概念性的治疗分层框架：高剪切病变更依赖VWF介导的初始捕获，而低剪切扰动流病变更需要关注血栓稳定性及药物是否增加碎裂风险。
该研究仍属于原理验证，芯片指标与临床严重程度之间的关联仍需通过更大规模、多中心和前瞻性研究验证。因此，该平台目前不能直接用于临床用药决策。但它提供了一条新的转化路径：从“依据狭窄程度分类”，走向“依据患者血管几何、血流和分子机制进行功能性测试”。
图 2 ｜连接分子构象、患者血流与抗栓药物反应。 分子模拟解释VWF构象如何影响药物表位可及性；患者特异性芯片则为比较不同治疗方案提供功能性测试平台。
总之，本研究利用生物制造技术，将患者解剖结构、生物材料、动脉内皮、血流力学和分子药理学整合为一个可实验操作的物理孪生系统。
其核心概念是： 决定血栓危险性的，不仅是血栓形成了多少，还包括它在患者特异性血流中是否稳定、是否容易产生栓子 脱落 ，以及主导这一过程的是哪一条力敏感分子通路。
https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(26)00197-2
制版人： 十一
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