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南开科研团队在人工血管研究方面取得进展
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2022-03-29 16:08

  南开新闻网讯(通讯员 智登科)近日,南开大学生命科学学院、药物化学生物学国家重点实验室孔德领教授团队于《Science Advances》在线发表了题为“Mechanically reinforced biotubes for arterial replacement and arteriovenous grafting inspired by architectural engineering”的研究论文。该研究从隧道建筑工程学得到启发,构建了聚合物纤维骨架增强的体内工程化人工血管,在大动物血管移植实验中展现了良好的通畅性和再生性。

  血管是人体运送营养物质和代谢废物的通道,被形象地比喻为“生命通道”。由血管狭窄或闭塞引起的心血管疾病的发病率和致死率远高于其他疾病,已是人类健康的第一杀手。据《中国心血管健康与疾病报告2020》显示,我国约有心血管疾病患者3.3亿人,并呈逐年递增趋势,已成为重大公共卫生问题,给社会造成了巨大的经济负担和压力。然而,用于血管替换、旁路建立或为终末期肾脏患者建立血透通路的人工血管的研发仍然面临诸多困难与挑战。迄今为止,临床上尚无可以应用的小口径(口径<6 mm)血管产品。

  体内工程化是一种有效制备小口径人工血管的技术,其制备方法是将棒状物植入宿主皮下,待宿主对其完成组织包裹后即可获得由自体细胞和组织构成的体内工程化血管,也被称为生物管(biotube)。美国、欧洲和日本几家实验室先后发表了有关生物管应用于血管移植的大动物和人体的研究,尽管生物相容性、内皮化和血管再生性良好,但是力学明显不足,移植后出现破裂、动脉瘤等情况。

图1 PCL 纤维骨架增强型体内工程化血管的制备

  受隧道建筑工程学的启发,该团队创造性地将聚合物熔融纺丝技术和体内工程化技术相结合制备了力学增强的生物管,即聚己内酯(PCL)纤维骨架增强型生物管(PB)(图1)。 熔融纺丝技术制备的聚合物纤维骨架就像钢筋一样,可提供良好的力学支持;而来自宿主的细胞和细胞外基质就像混凝土一样填充在骨架中,提供了优异的再生微环境。

图2 不同动物皮下制备的PB

  PB优异的力学性能还表现在:经过盘绕、折叠、扭曲、夹闭等手术常用操作后依旧能够保持原有的形貌和结构。此外,PB还可以在兔子,犬和羊中实现个性化制备,以满足不同部位和形状血管移植的需求(图2)。

图3 犬颈动脉人工血管移植

  在研究中,该团队首先通过体外力学测试和大鼠腹主动脉移植系统地研究了骨架结构、血管力学与血管再生三者之间的构效关系,并确定了聚合物纤维骨架的最优结构。该团队将优选的PB进行了大动物犬颈动脉长期移植(图3),以医用的进口ePTFE血管产品作为对照组。虽然两种血管在移植7个月后都保持100% 通畅率,但是PB血管在内皮化、平滑肌再生、ECM重塑及血管顺应性等方面均显著优于ePTFE血管。特别重要的是,PB血管在移植7个月后,能够对乙酰胆碱和肾上腺素的刺激产生收缩与舒张响应,说明PB在大动物体内再生成为了“活血管”。然而,ePTFE血管没有展现出内皮化和任何收缩与舒张功能。

图4 羊自体动静脉造瘘

  为了验证PB应用于血液透析血管通路的安全性和有效性,该团队采用了羊颈动脉-颈静脉造瘘(AVG)模型(图4),实验结果显示, PB 具有良好的穿刺闭合性能,植入后可实现即刻穿刺。在为期3个月的实验中,PB实现了良好的血管再生,并与皮下组织实现了有效整合,没有发生透析血管常见的感染现象。

  综上所述,该团队制备的聚合物纤维骨架增强型生物管在血管移植动物实验中展现了良好的通畅性、再生性、功能性和耐穿刺性。在犬长期移植实验中,再生的血管组织展现了类似天然动脉的生理功能。本研究为解决体内工程化血管力学性能不足的问题提供了有效手段,创制了一种性能优良的小口径组织工程血管。基于该项技术,该团队正在进行科研成果转化,有望开发出产品,填补国内外空白。

  南开大学生命科学学院、药物化学生物学国家重点实验室孔德领教授、王恺副研究员和朱美峰研究员为本论文的共同通讯作者,南开大学博士后智登科为本论文第一作者。本研究得到了国家自然科学基金委创新研究群体项目(81921004),国家自然科学基金重点项目(81530059)、面上项目(81772000,91939112,21806082,81850410552)等基金的支持。基于本研究的核心技术申请的中国发明专利已经获得授权。

  论文链接为:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl3888

编辑:韦承金

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