血管組織工程研究進(jìn)展

1、血管組織工程研究進(jìn)展    【關(guān)鍵詞】血管組織工程       組織工程的概念是美國(guó)科學(xué)基金會(huì)于1987年提出的，是綜合應(yīng)用生命科學(xué)和工程學(xué)的原理，研制并開(kāi)發(fā)出組織、器官的替代物以解決組織缺損和器官損傷的修復(fù)和重建問(wèn)題。血管組織工程是指利用血管壁的正常細(xì)胞和生物可降解材料來(lái)制備、重建和再生血管替代材料的科學(xué)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究以期研制出無(wú)免疫原性、抗血栓形成、組織和細(xì)胞相容性高、具有一定強(qiáng)度和生長(zhǎng)性并能廣泛應(yīng)用于臨床的血管替代物，以解決臨床上治療血管狹窄或閉塞導(dǎo)致的缺血性疾病自體血管移植中血管

2、來(lái)源有限的問(wèn)題1。    血管組織工程的研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面：種子細(xì)胞的研究；細(xì)胞外基質(zhì)（extracellularmatrix,ECM）替代物的研究；組織工程血管（tissue engineered tissue）三維培養(yǎng)的研究。    1  種子細(xì)胞的研究    血管組織工程所應(yīng)用的種子細(xì)胞包括內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞。內(nèi)皮細(xì)胞覆蓋于血管的內(nèi)表面，呈單層排列，并能分泌多種血管活性因子如內(nèi)皮素、前列腺素、NO等，具有抑制血小板聚集、抗血栓形成及抗內(nèi)膜增生的作用2，從而保持血管的穩(wěn)定

3、性。內(nèi)皮細(xì)胞在人3和動(dòng)物4的血管移植物模型中已顯示出提高血管通暢率的能力。因此，內(nèi)皮細(xì)胞是血管組織工程中最重要的種子細(xì)胞。    1.1  血管壁細(xì)胞  自體血管壁細(xì)胞具有無(wú)免疫原性，在體外進(jìn)行培養(yǎng)、擴(kuò)增后廣泛應(yīng)用于組織工程血管的研究。其來(lái)源主要有以下幾個(gè)：自體非必須的血管（如大隱靜脈）；腹膜或皮下脂肪組織（如微血管內(nèi)皮細(xì)胞）。自體血管壁細(xì)胞的獲取是一種機(jī)體侵入性操作，尤其是動(dòng)脈的獲取對(duì)機(jī)體危害更大，自體靜脈位置表淺，取材相對(duì)方便。Schnell等5做了在心血管組織工程中大隱靜脈與主動(dòng)脈組織作為種子細(xì)胞的比較研究，結(jié)果顯示大隱靜脈平滑肌細(xì)胞具有

4、良好的活性及增殖能力，經(jīng)培養(yǎng)種植于生物可吸收支架后，其膠原的形成和機(jī)械特性均優(yōu)于主動(dòng)脈。但是從體內(nèi)血管壁中獲取的內(nèi)皮細(xì)胞量不多，在體外培養(yǎng)過(guò)程中生長(zhǎng)緩慢，且傳代58代后迅速發(fā)生衰老。Pasic6用網(wǎng)膜脂肪來(lái)源的微血管內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行動(dòng)物試驗(yàn)，證實(shí)可明顯提高血管通暢率，減低內(nèi)膜增生，這種方法短期內(nèi)可獲得足量的細(xì)胞數(shù)，但不易純化且抗血流應(yīng)力差。采用自體內(nèi)皮細(xì)胞作為種子細(xì)胞還存在經(jīng)過(guò)傳代擴(kuò)增、鑒定等程序后種植于組織工程血管上需要較長(zhǎng)的時(shí)間等問(wèn)題，如何便捷有效的獲取種子細(xì)胞，是影響血管組織工程臨床應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題。    1.2  干細(xì)胞  干細(xì)胞是一種

5、未分化的、能夠自我復(fù)制的原始細(xì)胞，具有高度分化增殖能力，可以在一定條件下，分化成各種組織細(xì)胞如內(nèi)皮細(xì)胞等。因此，干細(xì)胞有可能是血管組織工程最理想的種子細(xì)胞。按其來(lái)源，分為胚胎干細(xì)胞和外周干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)復(fù)雜、涉及一系列倫理道德問(wèn)題，臨床應(yīng)用困難，因而外周干細(xì)胞作為組織工程血管種子細(xì)胞的研究成為研究熱點(diǎn)。    2  支架材料的研究在組織工程血管構(gòu)建中血管組織支架是活細(xì)胞在體外生長(zhǎng)所需的支持物，是種子細(xì)胞生長(zhǎng)增殖的三維空間，便于細(xì)胞粘著、生長(zhǎng)、進(jìn)行新陳代謝。因此，在組織工程血管制備中需要具有良好的生物相容性，可塑性強(qiáng)，來(lái)源廣泛，有一定的抗張強(qiáng)度和

6、無(wú)免疫原性的支架材料。根據(jù)來(lái)源和性能，目前研究應(yīng)用的材料分為天然生物生材料和合成材料兩種。    2.1  天然材料  本身來(lái)源于生物機(jī)體，具有良好的細(xì)胞親和力，能為細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖、分化提供近似體內(nèi)組織發(fā)育的ECM支架條件，其生物相容性、順應(yīng)性以及免疫排斥性低等特點(diǎn)優(yōu)于合成材料。天然生物材料分為大分子結(jié)構(gòu)材料，如膠原、甲殼素等；脫細(xì)胞組織基質(zhì)材料，如脫細(xì)胞真皮基質(zhì)、脫細(xì)胞血管基質(zhì)等。他們本身有的包含許多生物信息，能夠提供細(xì)胞所需的信號(hào)，對(duì)細(xì)胞的維持和粘附具有優(yōu)勢(shì)。Heureux等在含有抗壞血酸的培養(yǎng)系統(tǒng)中，培養(yǎng)人平滑肌細(xì)胞，形成一薄層后再卷曲塑

7、型為具有三維結(jié)構(gòu)的管狀，在其內(nèi)表面種植內(nèi)皮細(xì)胞，外層種植成纖維細(xì)胞構(gòu)建了具有良好的力學(xué)特性，抗破裂壓為2000mmHg的全生物化組織工程血管，動(dòng)物體內(nèi)短期移植顯示易于手術(shù)操作，縫合性良好18。國(guó)內(nèi)張炎等19采用以酶消化為主的方法制備豬頸總動(dòng)脈脫細(xì)胞支架，再種植犬胸主動(dòng)脈的平滑肌細(xì)胞，培養(yǎng)4周，經(jīng)組織學(xué)染色和電鏡觀察顯示：在豬頸總動(dòng)脈脫細(xì)胞支架上，犬血管平滑肌細(xì)胞大量生長(zhǎng)，組織學(xué)和電鏡結(jié)構(gòu)與正常血管壁結(jié)構(gòu)類(lèi)似。結(jié)果表明，成功地構(gòu)建了全生物化組織工程血管。Borschel20從鼠髂動(dòng)脈獲取脫細(xì)胞血管基質(zhì)，再種植鼠血管內(nèi)皮細(xì)胞，將制備的組織工程血管植入同基因鼠股動(dòng)脈，術(shù)后未抗凝治療，4周后其通暢率為

8、89%，組織學(xué)染色可見(jiàn)其腔面完全內(nèi)皮化，并見(jiàn)向血管壁長(zhǎng)入的平滑肌細(xì)胞，為小直徑（3mm）血管移植提供了一種可能的方法。    2.2  人工合成材料  分為非生物降解材料和可生物降解材料兩種。由于非降解材料的許多不足，如支架材料不能降解，構(gòu)建的血管不具備血管收縮性且易發(fā)生吻合口處內(nèi)膜增生，非降解材料逐漸被淘汰?？缮锝到獠牧铣Ｓ玫挠芯垡掖妓幔≒GA）、聚乳酸（PLA）、PGA與PLA共聚物（PLGA）等。用此類(lèi)材料為支架構(gòu)建的血管，有良好的組織相容性和可塑性，在完成一定時(shí)間的機(jī)械支撐作用后，在體內(nèi)可逐漸分解為小分子物質(zhì)，降解速率和三維結(jié)構(gòu)易于調(diào)

9、控；缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，降解產(chǎn)物如不能立即吸收散去，仍然會(huì)刺激局部組織。Nillason等用PGA為支架成功構(gòu)建的血管，經(jīng)檢測(cè)生物力學(xué)特性，其血管抗破裂壓2000mmHg，抗縫合強(qiáng)度90g，膠原含量超過(guò)50%。移植于豬的髂動(dòng)脈后血管通暢良好21，初步達(dá)到了較好的結(jié)果。但經(jīng)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)PGA為支架機(jī)械支撐力較弱，不能抵抗平滑肌細(xì)胞產(chǎn)生的收縮力，而且其降解速度快，很難維持預(yù)先設(shè)計(jì)的形態(tài)。在壓力較高的循環(huán)系統(tǒng)中將難以耐受壓力而形成動(dòng)脈瘤。聚羥基乙酸順應(yīng)性不佳導(dǎo)致湍流易形成吻合口血栓或內(nèi)膜增生。Xu等22將聚L丙交酯和聚已酸內(nèi)酯按31的比例合成了可降解的納米纖維共聚物poly(llactidc

10、oEcaprolactone),P(LLACL)其纖維直徑為500nm，具有生物血管中層細(xì)胞及纖維原定向生長(zhǎng)的微環(huán)境結(jié)構(gòu)。將SMCs種植于P（LLACL）支架上，發(fā)現(xiàn)SMCs沿P（LLACL）纖維縱軸粘附、遷移并表達(dá)出梭狀、具有收縮功能的表型。并且發(fā)現(xiàn)平滑肌細(xì)胞骨架蛋白也沿著纖維方向分布、聚集，SMCs的粘附和復(fù)制能力也大為提高。這種高度模仿生物血管微環(huán)境的納米纖維是一種理想的血管組織工程支架。但目前欠缺動(dòng)物以及人體實(shí)驗(yàn)，其具體的應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。Williamson23以聚乙酸內(nèi)酯（PCL）和聚亞安酯（PU）做成血管支架，然后種植人臍帶靜脈內(nèi)皮細(xì)胞到未經(jīng)改性處理的支架上，發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)其有

11、良好的黏附生長(zhǎng)能力，并能形成單層，且分泌一氧化氮（NO）等功能不受影響，表明PCLPU有望作為一種良好的支架材料。    2.3  復(fù)合生物材料  天然生物生材料和合成材料都存在一定的不足。將兩者按照一定的方法予以組合可構(gòu)建成一種復(fù)合基質(zhì)，可以發(fā)揮兩者的各自優(yōu)勢(shì)。高分子材料可以提供一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境并且可以塑造成各種形狀，生物材料在維持組織完整、保護(hù)實(shí)質(zhì)細(xì)胞、介導(dǎo)信號(hào)傳導(dǎo)、調(diào)控細(xì)胞表型、誘導(dǎo)細(xì)胞黏附、增殖、分化和移行等方面具有不可忽視的作用。熊猛22通過(guò)用交聯(lián)膠原包埋處理聚羥基乙酸（Polyglycolic acid,PGA），形成膠原加聚羥基乙酸管形支架，并接種牛血管內(nèi)皮細(xì)胞于其內(nèi)腔面，采用動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)技術(shù)體外培養(yǎng)10d，該支架具有一定彈性和韌性，在培養(yǎng)液中，能較長(zhǎng)時(shí)間保持形狀，內(nèi)皮細(xì)胞在其內(nèi)表面形成較完整內(nèi)皮細(xì)胞層，覆蓋率約72.6%±3.5%，表明此支架可以作為組織工程技術(shù)并造血管的較理想支架之一。He24等以