摘要:钟彬儒, 苏超, 杨超, 等. 人工血管的研发进展及应用现状[J]. 中国心血管杂志, 2024, 29(5):470-474. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5410.2024.05.014.
中国心血管杂志
2024
Chinese Journal of Cardiovascular Medicine本刊为北大《中文核心期刊要目总览》2023年版入编期刊、科技期刊世界影响力指数(WJCI)报告2023收录期刊、中国科技核心期刊、武大(RCCSE)核心期刊,欢迎来稿!
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人工血管的研发进展及应用现状
Research progress and applicative status of artificial blood vessels
钟彬儒 苏超 杨超 陆树洋 魏民新
作者单位:518053 深圳,香港大学深圳医院心血管医学中心,心脏大血管外科
通信作者:魏民新,电子信箱:weimx@hku-szh.org
引用本文:
钟彬儒, 苏超, 杨超, 等. 人工血管的研发进展及应用现状[J]. 中国心血管杂志, 2024, 29(5):470-474. DOI: 10.3969/j.issn.1007-5410.2024.05.014.
心血管疾病日益威胁人类健康,其发病率和死亡率逐年升高,并加重患者的经济负担,已成为我国乃至全球面临的重大公共卫生问题[1]。心血管疾病中与人体血管有关的,如冠心病和外周动脉疾病占比最高[2]。针对这一类疾病,传统介入治疗、自体血管移植等治疗手段虽能有效地使血管再通,但从远期预后来看,面临着较高的术后血管再狭窄风险,而且一些糖尿病、高脂血症患者的自身血管条件较差,不适合作为供体,使治疗有一定的局限性。
因此,历经数十年的发展,人工血管置换术逐渐成为多种血管类疾病治疗的主要方法,主要用于一些需要血管重建的血管疾病,如各型腹主动脉瘤、主动脉夹层和血液透析置管等[3]。目前,大、中口径人工血管应用于临床已取得了初步效果,并有商业化产品,但小口径人工血管往往会面临一些由于血栓形成、内膜增生及感染造成的移植失败[4-5]。因此,小口径人工血管的精准研发具有重要的临床意义。
01
小口径人工血管的研发困境
小口径人工血管移植失败的原因有血栓形成、内膜增生导致管腔狭窄和感染等。
人工血管的感染可能由手术时使用非无菌器械、无菌操作不当或术后患者患菌血症造成。这种感染首先波及原生血管导致炎症反应,随后破坏人工血管与原生血管的吻合口,最终导致出血或动脉瘤的形成。血栓形成与血管再狭窄往往继发于动脉粥样硬化的进展与内膜增生,是小口径人工血管移植最常见的失败原因[6]。内皮细胞损伤或生成不足,将导致凝血相关蛋白的黏附并激活凝血机制,从而形成血栓[7];同时内皮细胞损伤、血小板聚集以及胶原暴露,会产生趋化因子和黏附分子,诱导炎症细胞聚集,促进炎症发生;炎症细胞和内皮细胞进一步释放炎症因子和细胞因子,诱导平滑肌细胞表型转变,加剧内膜增生,最终导致血管狭窄[8-9]。人工血管中动脉粥样硬化的进展与天然动脉中的相似,随着血液中炎症细胞侵入血管新生内膜,炎症细胞与平滑肌细胞不断吞噬侵入的低密度脂蛋白,逐渐转化成泡沫细胞,最终形成动脉粥样硬化斑块[10]。也有研究表明,血流动力学因素与内膜增生也存在密切关系,内膜增生可能发生在人工血管和原生血管的吻合口处[8]因此,针对以上可能造成人工血管移植失败的潜在危险因素,在人工血管植入前应处理患者口腔、伤口等可能导致术后感染的相关危险因素,术中注意无菌操作,还可预防性地使用抗生素预防人工血管的感染,术后应保证手术切口的干洁[4];在设计时应考虑人工血管与天然血管的匹配,植入后人工血管要能在一定时间内完成内皮化,减少血栓形成,防止内膜过度增生。02
人工血管的研发进展
理想的人工血管需要具备以下特性:(1)良好的生物相容性和血液相容性,可促进组织的再生,保持长期的通畅;(2)良好的机械性能,以承受血压的负荷;(3)能自行降解,并要求材料降解的速度与自身血管再生的速度相匹配;(4)还要具备能规模化生产、耐受灭菌和便于储存等符合临床应用的能力[11]。为了满足以上特性,人工血管材料不断迭代更新,同时,组织工程血管(tissue engineering blood vessel,TEVG)和人工血管表面改性技术的研发,也使得人工血管的性能不断改进。2.1
高分子材料人工血管
目前用于制备人工血管的材料种类繁多,包括合成高分子材料、天然高分子材料以及混合材料,每种材料都有各自的优缺点。
2.1.1 合成高分子材料人工血管
合成高分子材料是由化学合成的聚合物制成的。目前市面上已经商业化的人工血管,大多数使用的仍然是合成高分子材料,如涤纶、聚氨酯(polyurethane,PU)、膨体聚四氟乙烯等,其中涤纶与膨体聚四氟乙烯用来制造大口径人工血管已超过数十年[12]。这些合成高分子材料的化学结构精确,来源简单,质量可控,能够快速大量生产,并且具有良好的机械性能。但合成高分子材料的血液相容性较差,容易形成血栓,特别是用于制作小口径人工血管时往往会造成血栓堵塞。因此,如何使合成高分子材料表面快速内皮化,提高血液相容性是小口径人工血管的热点研究方向之一[13]。在局部或全身进行抗血栓治疗的情况下可提高人工血管的血液相容性。Ye等[14]将肝素与聚己内酯(polycaprolactone,PCL)移植物结合移植到犬股动脉,4周后显示出100%的通畅率,表面可见内皮细胞及胶原蛋白生成。Mrówczyński等[15]研究了仅采用全身抗血栓治疗的PCL移植模型,4周后显示出78%的通畅率。另外,大部分的合成高分子材料不可降解,无法与生成的天然血管相匹配。可生物降解的血管移植物材料更适用于小口径人工血管。聚对二氧环己酮(polydioxanone,PDS)是一种可生物降解的高分子聚合物。有研究将PCL与PDS采用静电纺丝的技术制备小口径人工血管,PDS的掺入改善了PCL人工血管的亲水性。在体内实验12周后PDS完全降解,增加了人工血管的孔径,最终血管表现出明显的内皮化[16]。另外,还有其他可降解的高分子材料,如聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)[poly(L-lactide-co-e-caprolactone),PLCL]、PU等[17],但大多数可降解合成高分子材料的降解产物细胞相容性较差,降解产物也可能在体内引起免疫反应,因此目前如何提高其细胞相容性及血液相容性仍是需要进一步研究的问题。2.1.2 天然高分子材料人工血管
天然高分子材料通常从动物或植物中提取,包括细胞外基质中的蛋白质、壳聚糖和丝素蛋白等,已被证实具有作为人工血管材料的价值[18-19]。天然高分子材料具有良好的生物相容性,为细胞的迁移、增殖和分化提供了良好的环境,能促进人工血管更快的内皮化,不容易产生血栓[20]。但与合成高分子材料相比,天然高分子材料往往容易降解而导致其机械性能较差。在提高其机械性能后用来制备小口径人工血管是目前研究的方向之一。通过引入某种材料以控制降解速率是提高天然高分子材料机械性能的一种方式。Liu等[21]在丝素蛋白支架中引入铁基磁性纳米颗粒(magnetic nanoparticles,MNPs),制备成一种新型磁性丝素蛋白支架,其降解速度明显延长,具有更好的机械强度。也有研究通过静电纺丝技术将天然材料与其他材料共纺形成复合纤维材料,来调节人工血管的降解速度[22]。此外,寻找一种不易降解的天然材料可能是另一种有效的解决方案。有研究证实了使用葡萄糖醋酸杆菌产生的纤维素制作人工血管的可能性。Scherner等[23]测试了细菌纤维素(bacterial cellulose,BC)小口径人工血管的破裂强度为800 mmHg,且植入羊颈动脉后人工血管内表面可见均匀内皮化。而另一项研究证实了使用细菌纳米纤维素(bacterial nano-cellulose,BNC)制作小口径人工血管具有潜力,在置换了兔颈动脉46 d后,BNC人工血管仍然保持通畅,且外表面有再生组织包裹[24]。但目前相关的研究仍然较少,实验观察天数较短,远期并发症的发生率等情况仍需更多的体内外研究分析。2.1.3 混合高分子材料人工血管
合成高分子材料有较强的机械性能,但生物相容性较差;天然高分子材料机械性能较差,但具有良好的生物相容性。而混合材料的性能既结合了合成材料的机械强度,又利用了天然材料的生物相容性,增加了人工血管的内皮化速度。PCL作为一种可降解的合成高分子材料用来制作小口径人工血管,在植入大鼠腹主动脉18个月后可降解70%~80%。但在此期间内皮化不足,无法形成有质量的再生组织[25]。而用静电纺丝PCL和天然材料壳聚糖共混形成纳米纤维制备的混合材料人工血管,可促进内皮化的进程。在植入羊颈动脉6个月后,人工血管管腔完全被内皮细胞及平滑肌覆盖,人工血管也降解至剩余9.1%±5.4%[26]。卵磷脂与PCL加工而成的多孔血管支架材料、PCL-胶原血管等人工血管研究也表明,混合材料人工血管可促进内皮细胞和平滑肌细胞的黏附和增殖[27-28]。目前,小口径人工血管研发大多数是应用新技术将多种材料混合,以研发出更加理想的人工血管。2.2
TEVG
近些年,TEVG的发展也为人工血管研发提供了新的思路和方向。TEVG结合了生物学、材料学和细胞工程学等多学科知识和技术,从再生的角度为血管修复提供了新的途径,特别是为小口径人工血管的开发提供了可行的解决方案。TEVG是利用组织工程学的方法,将血管种子细胞(内皮细胞、平滑肌细胞)种植于血管支架材料上,以构建形态到功能都接近活体血管的组织工程化血管[29]血管组织工程的支架材料除了上述的天然高分子材料、合成高分子材料,还有脱细胞基质,是当前研究的热点。在脱细胞之前,目前有两种方式用于生产装载细胞的TEVG:一种是在天然或合成材料上培养细胞,产生大量的细胞外基质[30];另一种是以身体微环境为生物反应器,在腹腔或皮下埋植管状模具,体内细胞在模具上生长并形成活体血管支架[31]。培养足够的细胞之后,再通过洗涤、酶解、冷冻等方式,去除细胞,并在表面种植种子细胞,通过生物反应器的动态调节和细胞扩增,形成成熟的脱细胞基质人工血管[32-33]。由于细胞外基质是组织再生与重构的关键,因此这种脱细胞支架植入后可促进细胞黏附、分化和增殖,生物相容性良好[34]。但脱细胞基质人工血管的缺点在于制备耗时长,成本高;且脱细胞基质来源种类繁多,免疫反应也是应考虑的问题。目前相关研究仍较少,需要更多的体内外实验观察。TEVG的发展非常迅速,许多实验都取得了令人兴奋的结果[35-37]。Wang等[36]在小型猪皮下埋置特氟龙管,培养4周后进行脱细胞处理,表面共价连接肝素后制成TEVG,将其植入猪颈动脉,结果显示1个月后通畅率为100%,2个月后通畅率为67%,血管表面可见内皮细胞、平滑肌细胞附着。Luo等[37]将人类诱导多能干细胞分化的血管平滑肌细胞(human induced pluripotent stem cell-vascular smooth muscle cell,hiPSC-VSMC)培养在聚乙醇酸(polyglycolic acid,PGA)支架上,构建hiPSC-TEVG,并通过机械拉伸提高TEVG的机械性能,在植入裸鼠模型4周后,血管仍保持通畅。TEVG的制备方式包括静电纺丝技术、3D打印和模具成型等。如今研究热门的静电纺丝技术是利用高压静电场作用,使材料溶液形成带电的喷射流,并在电场中被拉伸,最终形成无纺状态的纳米纤维层[20]。形成的静电纺丝层与细胞外基质膜结构类似,因此有利于细胞附着和增殖[38]。高分子材料如PLA、PGA、PU、胶原蛋白和壳聚糖等都已通过静电纺丝技术制备成人工血管支架[33]。塑膜成型技术是将聚合物溶液浇筑到镂空的模具中制成人工血管,但其机械强度相对较低是主要问题[39]。3D打印是另一种用于组织工程的技术,目前已被证实可有效地整合细胞,增加细胞的负载密度。但如何降低成本、所需细胞和材料的选择等问题仍需进一步研究[40]。血管组织工程涉及多个学科,在血管支架材料选择、加工成型技术和种子细胞选择等方面都有其复杂且需要深入研究的地方。虽然目前已有研究证实TEVG有一定的成果,但效果有待提高,且生产成本较高、程序工艺复杂等问题仍需改进。
2.3
人工血管表面改性
人工血管仍面临由于血栓形成、内膜增生、渗血及感染造成的移植失败,研究血管材料的表面改性使之成为具有理想性能的人工血管具有重要意义。目前研究者通过将药物或天然合成物等制作成涂层,涂在血管支架内表面,增加其防渗血性、生物相容性及促进内皮化,可有效实现血管材料的表面改性胶原蛋白作为细胞外基质的主要成分,主要功能是维持血管的顺应性,同时为血管细胞的黏附、分化和增殖提供微环境,还能协助细胞间的信号传导。如Shan等[43]利用层层自组装表面改性技术在膨体聚四氟乙烯材料表面制备了肝素/胶原多层膜,并在共价交联作用下,将精氨酸-谷氨酸-天冬氨酸固定在活化的膜表面,改善了膨体聚四氟乙烯血液相容性、抗凝血性和细胞相容性。Bates等[44]在聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)水凝胶上共轭连接胶原蛋白衍生肽进行表面修饰,促进了人工血管的内皮化。此外,胶原蛋白还可作为药物交联基质,与药物交联后控制生长因子的结合与释放,进一步提高血管移植物的内皮化程度[45]。目前,胶原蛋白涂层制作的人工血管是应用最多的中、大直径血管移植物之一。研究者还利用其他非生物涂层,或是非生物及生物涂层形成的混合涂层来提高血管移植物的血液相容性,在一些动物实验中已取得了良好的效果。但大多数实验时长较短,还需要更多的临床前模型进一步验证。03
人工血管的产业化进程
目前临床上使用的人工血管主要由迈柯唯和泰尔茂两家公司生产,而且主要为大、中口径。全球范围内仍未有小口径人工血管获批。但值得一提的是,Humacyte公司致力于研发和生产人类脱细胞血管(human acellular vessels,HAVs),正在对6 mm的HAVs进行第2阶段和第3阶段的临床试验,用于治疗创伤、建立血液透析通路、治疗周围动脉疾病以及建立生物血管胰腺治疗Ⅰ型糖尿病在国内市场上,仅有上海契斯特医疗科技有限公司和上海索康医用材料有限公司的大、中口径人工血管产品实现了商业化,江苏百优达生命科技有限公司研发的大口径人工血管"VASOLINE"于2022年11月获批上市。但上海契斯特医疗科技有限公司的人工血管没有预凝涂层,植入手术难度较大;上海索康医用材料有限公司于2022年注销了其膨体聚四氟乙烯人工血管的医疗注册书。国内其他厂家如领博生物科技(杭州)有限公司、武汉杨森生物技术有限公司、深圳市柔脉再生科技有限公司和海迈医疗科技(苏州)有限公司等正大力研发新型人工血管。领博生物科技(杭州)有限公司采用细胞+聚合物复合结构路线生产的小口径人工血管,通过大量动物实验验证了血管的通畅性,即将开展注册型临床试验[49];武汉杨森生物技术有限公司的PU三层仿生结构人工血管于2020年进入临床试验[50]。04
小结与展望
随着心血管疾病患者的增加,人们对于人工血管的需求也逐渐增加。从最初的仅使用合成材料制作的人工血管到如今TEVG的研究,人工血管取得了巨大的进展。大口径人工血管在临床上已有了商业化产品,而小口径人工血管是目前研究的难点与热点。如今许多人工血管已经显示出足够的性能,但就长期来看,它们仍无法满足理想人工血管的要求。
理想的人工血管是多学科的产物,需要材料学、工程学、医学和生物学等学科的共同参与。材料是人工血管的基石,如何将合成材料与天然材料相结合,发挥各自最大的优势是目前研究的重要方向[51]。不同的编织与制造技术,如静电纺丝、微流体等新技术,也被应用于人工血管的制造,以尽可能地模仿天然动脉的多层结构。为了优化人工血管的性能,生物涂层技术、表面修饰和细胞种植等技术也应用于人工血管的研发。而我国人工血管的研究起步较晚,尚未出现理想效果的国产人工血管,目前使用的产品还主要从国外进口。因此,实现人工血管全面国产化,是我国心血管研究领域迫在眉睫的任务。参考文献
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来源:中国心血管杂志