组织工程方法在人工心脏瓣膜领域中的应用
发布时间：2021-09-09 08:35
将组织工程的思想与方法应用于人工心脏瓣膜领域有望克服现有瓣膜的不足,具有良好的应用前景。然而,实现组织工程心脏瓣膜仍然存在许多挑战。该文介绍了组织工程瓣膜的定义及发展,讨论了常用的组织工程瓣膜的材料学研究与制备方法、调控瓣膜再细胞化的手段以及相应的挑战。基于细胞支架、种子细胞、生物活性因子三要素制备的组织工程瓣膜目前大多仅处于基础研究阶段。更具应用推广价值的组织工程瓣膜研究方向是基于异种心包膜或瓣叶交联的组织工程瓣膜,包括提高交联的生物瓣膜的抗钙化性能,制备脱离不良溶剂保存的可预装干燥瓣膜,以及探索新型的生物瓣膜交联方式。
【文章来源】：生命科学. 2020,32(03)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
采用可生物降解弹性体材料制备可吸收瓣膜的重要原则
当前异种心包膜交联的生物瓣膜，一般采用戊二醛交联的异种心包膜或者瓣叶，经过数十年的发展，逐渐得到大规模的应用推广以及市场认可。对于产生严重病变的瓣膜，通常需要采用人工心脏瓣膜进行置换手术。其中，采用动物源(猪或牛)心包膜制备的人工生物心脏瓣膜是瓣膜置换手术的主要产品。生物心脏瓣膜置换技术主要包括外科开胸式瓣膜置换手术和经导管介入式瓣膜置换手术。外科开胸式瓣膜置换手术创伤大、手术风险高。与外科开胸式瓣膜置换手术相比，经导管介入式瓣膜置换手术有减少创伤、术后恢复快等优点。经导管微创介入生物瓣膜置换手术给瓣膜疾病患者，特别是不能开胸手术的患者，带来了新的希望。目前全球已有累计超过20万例患者从该治疗中获益。近几年，经导管介入式心脏瓣膜植入产品开发在全球广泛开展，多个产品已获得上市批准。目前国内外有一大批成熟的生物心脏瓣膜产品供瓣膜疾病患者选用。然而，当前异种心包膜戊二醛交联的生物瓣膜使用寿命通常只有10年左右。生物瓣膜的失效是多方面因素造成的，包括生物瓣膜的钙化、降解、微凝血以及内皮化困难等(图3)[15-16]。生物瓣膜的钙化，是指生物瓣膜植入人体后，体内钙盐逐步沉积在生物瓣膜材料上，形成钙化灶点，影响生物瓣膜的柔性等机械性能，加剧瓣膜的失效。生物瓣膜的降解，是指当前戊二醛等方法制备的生物瓣膜无法实现生物瓣膜的长期稳定性，组分逐步发生降解损耗。生物瓣膜的微凝血，是指生物瓣膜植入后由于与人体血液直接接触，可能产生微量的凝血事件。生物瓣膜的内皮化困难，是指当前戊二醛制备的生物瓣膜由于细胞毒性较大等因素难以实现内皮细胞的覆盖。
由于现有戊二醛交联制备的生物瓣膜存在戊二醛残留，醛基带来细胞毒性并且能够与钙离子结合直接造成钙化，因而醛基的消除是当前抗钙化的一条主要策略。氨基试剂已在以前的研究中用于消除戊二醛的毒性，因此，本实验室利用外源性氨基供体，包括精氨酸或赖氨酸，与碳二亚胺化学反应，开发了一种新的组织固定方法，以更好地稳定猪心包弹性蛋白(图4)[17]。与以往氨基试剂与剩余醛类反应的目的不同，此项研究中使用的精氨酸或赖氨酸作为外源性的氨基供体，通过碳二亚胺化学作用，提供更多的氨基和交联位点与弹性蛋白羧基分子偶联。该策略能较好地保持生物瓣膜的结构完整性和稳定性。弹性蛋白的降解断裂，是引发瓣膜钙化的一个重要因素。目前戊二醛交联处理技术可以有效地使胶原蛋白发生交联，却难以较好地交联弹性蛋白。有研究发现，弹性蛋白降解将导致钙化加重[18]。基质金属蛋白酶在体内几乎能降解细胞外基质的所有成分，其中两种基质金属蛋白酶2、9均具有降解弹性蛋白的能力[19]。本实验室利用多酚中富含的羟基与猪心包膜中的弹性蛋白成分形成氢键结合，起到稳定弹性蛋白的作用，再引入铁离子与多酚配合从而抑制生物瓣膜钙化[20]。弹性蛋白酶降解实验结果表明，采用单宁酸(TA)/三氯化铁或表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)/三氯化铁组合处理戊二醛交联猪心包膜，可使其酶降解重量损失率显著降低，表明这两种多酚对戊二醛交联猪心包膜中的弹性蛋白具有良好的稳定作用。体外/体内钙化实验结果表明，TA/三氯化铁或EGCG/三氯化铁组合处理可以提高戊二醛交联猪心包膜的抗钙化能力。单轴拉伸测试和细胞毒性实验结果表明，这种处理方式不会对戊二醛交联猪心包膜的力学性能造成影响，也不会增加其细胞毒性[20]。可溶性原弹性蛋白分子主要由锁链素结合，在自然界中形成不溶性弹性蛋白。体外对原弹性蛋白进行赖氨酰氧化酶处理可形成锁链素，表明赖氨酸是不溶性弹性蛋白的主要内部化学结合点。本实验室采用一种新的生物瓣膜制备策略，利用外源性原弹性蛋白增加弹性蛋白的含量和稳定性(图5)[21]。多酚处理只能在有限的时间内稳定弹性蛋白，与单独的多酚处理不同，外源性原弹性蛋白和赖氨酰氧化酶弹性蛋白富集策略可以为生物瓣膜提供额外的不溶性弹性蛋白。
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物瓣再内皮化研究的进展[J]. 郑奇军,蔡振杰,刘维永. 中华实验外科杂志. 2004(11)
本文编号：3391774
【文章来源】：生命科学. 2020,32(03)北大核心CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
采用可生物降解弹性体材料制备可吸收瓣膜的重要原则
当前异种心包膜交联的生物瓣膜，一般采用戊二醛交联的异种心包膜或者瓣叶，经过数十年的发展，逐渐得到大规模的应用推广以及市场认可。对于产生严重病变的瓣膜，通常需要采用人工心脏瓣膜进行置换手术。其中，采用动物源(猪或牛)心包膜制备的人工生物心脏瓣膜是瓣膜置换手术的主要产品。生物心脏瓣膜置换技术主要包括外科开胸式瓣膜置换手术和经导管介入式瓣膜置换手术。外科开胸式瓣膜置换手术创伤大、手术风险高。与外科开胸式瓣膜置换手术相比，经导管介入式瓣膜置换手术有减少创伤、术后恢复快等优点。经导管微创介入生物瓣膜置换手术给瓣膜疾病患者，特别是不能开胸手术的患者，带来了新的希望。目前全球已有累计超过20万例患者从该治疗中获益。近几年，经导管介入式心脏瓣膜植入产品开发在全球广泛开展，多个产品已获得上市批准。目前国内外有一大批成熟的生物心脏瓣膜产品供瓣膜疾病患者选用。然而，当前异种心包膜戊二醛交联的生物瓣膜使用寿命通常只有10年左右。生物瓣膜的失效是多方面因素造成的，包括生物瓣膜的钙化、降解、微凝血以及内皮化困难等(图3)[15-16]。生物瓣膜的钙化，是指生物瓣膜植入人体后，体内钙盐逐步沉积在生物瓣膜材料上，形成钙化灶点，影响生物瓣膜的柔性等机械性能，加剧瓣膜的失效。生物瓣膜的降解，是指当前戊二醛等方法制备的生物瓣膜无法实现生物瓣膜的长期稳定性，组分逐步发生降解损耗。生物瓣膜的微凝血，是指生物瓣膜植入后由于与人体血液直接接触，可能产生微量的凝血事件。生物瓣膜的内皮化困难，是指当前戊二醛制备的生物瓣膜由于细胞毒性较大等因素难以实现内皮细胞的覆盖。
由于现有戊二醛交联制备的生物瓣膜存在戊二醛残留，醛基带来细胞毒性并且能够与钙离子结合直接造成钙化，因而醛基的消除是当前抗钙化的一条主要策略。氨基试剂已在以前的研究中用于消除戊二醛的毒性，因此，本实验室利用外源性氨基供体，包括精氨酸或赖氨酸，与碳二亚胺化学反应，开发了一种新的组织固定方法，以更好地稳定猪心包弹性蛋白(图4)[17]。与以往氨基试剂与剩余醛类反应的目的不同，此项研究中使用的精氨酸或赖氨酸作为外源性的氨基供体，通过碳二亚胺化学作用，提供更多的氨基和交联位点与弹性蛋白羧基分子偶联。该策略能较好地保持生物瓣膜的结构完整性和稳定性。弹性蛋白的降解断裂，是引发瓣膜钙化的一个重要因素。目前戊二醛交联处理技术可以有效地使胶原蛋白发生交联，却难以较好地交联弹性蛋白。有研究发现，弹性蛋白降解将导致钙化加重[18]。基质金属蛋白酶在体内几乎能降解细胞外基质的所有成分，其中两种基质金属蛋白酶2、9均具有降解弹性蛋白的能力[19]。本实验室利用多酚中富含的羟基与猪心包膜中的弹性蛋白成分形成氢键结合，起到稳定弹性蛋白的作用，再引入铁离子与多酚配合从而抑制生物瓣膜钙化[20]。弹性蛋白酶降解实验结果表明，采用单宁酸(TA)/三氯化铁或表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)/三氯化铁组合处理戊二醛交联猪心包膜，可使其酶降解重量损失率显著降低，表明这两种多酚对戊二醛交联猪心包膜中的弹性蛋白具有良好的稳定作用。体外/体内钙化实验结果表明，TA/三氯化铁或EGCG/三氯化铁组合处理可以提高戊二醛交联猪心包膜的抗钙化能力。单轴拉伸测试和细胞毒性实验结果表明，这种处理方式不会对戊二醛交联猪心包膜的力学性能造成影响，也不会增加其细胞毒性[20]。可溶性原弹性蛋白分子主要由锁链素结合，在自然界中形成不溶性弹性蛋白。体外对原弹性蛋白进行赖氨酰氧化酶处理可形成锁链素，表明赖氨酸是不溶性弹性蛋白的主要内部化学结合点。本实验室采用一种新的生物瓣膜制备策略，利用外源性原弹性蛋白增加弹性蛋白的含量和稳定性(图5)[21]。多酚处理只能在有限的时间内稳定弹性蛋白，与单独的多酚处理不同，外源性原弹性蛋白和赖氨酰氧化酶弹性蛋白富集策略可以为生物瓣膜提供额外的不溶性弹性蛋白。
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物瓣再内皮化研究的进展[J]. 郑奇军,蔡振杰,刘维永. 中华实验外科杂志. 2004(11)
本文编号：3391774
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