生物材料在心臟瓣膜組織工程中的研究進展

摘要 "綜述多種生物材料的發(fā)展情況，討論了當前和未來的心臟瓣膜生物材料發(fā)展趨勢，旨在從材料科學的角度理解心臟瓣膜組織工程的發(fā)展。目前，臨床上用于瓣膜置換手術的人工心臟瓣膜包括機械瓣膜和生物瓣膜，但人工心臟瓣膜缺乏長期穩(wěn)定性和生物相容性，有必要開發(fā)出更持久和有效的替代品，更好地模擬天然心臟瓣膜的功能。

關鍵詞 "心臟瓣膜疾病；人工心臟瓣膜；組織工程；生物材料

doi：10.12102/j.issn.1672-1349.2025.01.011

心臟瓣膜維持心臟各腔室內(nèi)血液單向流動，是構成人體循環(huán)系統(tǒng)的重要結構。目前，我國約有2 500萬例心臟瓣膜病病人，發(fā)病率約為3.8%［1］。臨床上針對功能失活的心臟瓣膜尚無有效的藥物治療方法。心臟瓣膜功能嚴重障礙的病人，選擇瓣膜置換是最有效的解決方案［2］。機械瓣膜和生物瓣膜最常應用于瓣膜置換手術，而兩者在穩(wěn)定性和相容性方面都有顯著的局限性。機械瓣膜血栓形成風險高，而生物瓣膜耐久性差［3-4］。開發(fā)出自我修復和重塑能力強的瓣膜假體迫在眉睫，確保一次手術終生耐用［5］。心臟瓣膜組織工程的一個關鍵理念是制備三維支架，并添加種子細胞和生長因子置入病變瓣膜處恢復和改善組織的功能［6］。過去的研究闡明了組織工程心臟瓣膜（tissue-engineered heart valves，TEHV）的理想特性并提出更全面的人工瓣膜策略［7-8］，目的是在提供瓣膜的機械功能的同時確保細胞黏附最終形成新生組織［9］。目前，多種人工瓣膜支架已進行設計、開發(fā)并測試。通常根據(jù)支架的材料可分為脫細胞組織支架如脫細胞的人體或動物組織及人工材料支架如天然或合成聚合物。本研究綜述TEHV不同瓣膜支架材料的優(yōu)缺點以及所面臨的挑戰(zhàn)，旨在從材料科學的角度理解心臟瓣膜組織工程的發(fā)展，為將來投入臨床使用提供借鑒。

1 脫細胞組織支架

脫細胞組織支架通過脫細胞技術去除組織中的細胞同時保留細胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）制造而成［10］。此類支架由于去除了組織中所有的細胞和免疫原性化合物并保留了原有的解剖結構和組織相容性，有較好的機械穩(wěn)定性和生物相容性。脫細胞組織支架材料通常來源于同種和異種組織。

Sarikouch等［11］的一項關于使用脫細胞肺動脈瓣同種異體移植的多中心回顧性研究中共隨訪5年，將接受脫細胞新鮮同種肺動脈瓣移植物病人與接受冷凍保存的同種肺動脈瓣移植物和接受牛頸靜脈帶瓣管道的病人進行了比較，通過隨訪超聲心動圖檢查結果證實，脫細胞新鮮同種肺動脈瓣移植物具有無心內(nèi)膜炎征象、功能良好、反流量最小、無狹窄并有再細胞化潛力的優(yōu)點。德國漢諾威醫(yī)學院的Tudorache等［12］報告了64例接受脫細胞同種主動脈瓣置換的兒童及青少年病人的隨訪結果，所有病人術中及術后組織學分析均未發(fā)現(xiàn)移植物出現(xiàn)鈣化，再細胞化良好且未觀察到炎癥反應，對10歲以下患兒進行的亞組分析也印證了以上結果。同時，為進一步證實同種瓣膜的優(yōu)勢，該團隊中的Sarikouch等［13］為364例瓣膜病病人進行了組織工程同種瓣膜移植并完成了所有同種異體移植物的術后組織學評估，結果顯示共有8例病人需要術后再移植（5例因心內(nèi)膜炎，3例病人因瓣膜下或瓣膜上段狹窄），同種主動脈瓣和肺動脈瓣的免于再移植率分別為96.1%和98.7%。脫細胞同種瓣膜在研究中顯示出巨大的臨床應用潛力，但是在臨床實踐中，由于人體組織供體的缺乏導致同種異體瓣膜的應用受到限制。

為了解決供體的缺乏的問題，研究者開發(fā)和測試脫細胞異種組織作為瓣膜的替代品。動物組織取材方便、價格便宜、便于大規(guī)模投入臨床使用，但是早期的一項研究中，Konertz等［14］將Matrix P Plus瓣膜（脫細胞豬肺瓣膜）用于先天性心臟病病人右心室流出道的重建，納入了61例接受移植病人，其中52%的兒童因植入的瓣膜瓣葉出現(xiàn)明顯增厚伴有纖維化、嚴重炎癥反應以及無明顯的再內(nèi)皮化而失活，需要再次手術。一項基于豬小腸黏膜下層制成的主動脈瓣的臨床試驗顯示，在植入后的前2年內(nèi)大部分病人出現(xiàn)瓣膜增厚、纖維化、嚴重鈣化、材料變性和強烈的炎癥反應［15］。目前，對于脫細胞異種瓣膜的研究結果并不樂觀，大部分病例在植入瓣膜位置出現(xiàn)瓣膜衰竭、狹窄、反流和缺乏結構重塑。

此外，Lintas等［10］開發(fā)了一種基于人成纖維細胞外基質(zhì)的脫細胞組織工程心臟瓣膜，通過經(jīng)導管技術植入綿羊主動脈瓣位置。短期實驗結果顯示瓣膜能夠承受主動脈血流動力學負荷，瓣膜瓣葉活動良好，結構完整，無血栓、撕裂或破裂跡象，植入的主動脈瓣無狹窄或瓣膜旁漏，且綿羊的冠狀動脈血流良好。該方法為脫細胞支架材料的開發(fā)提供了一種新思路，但是仍然需要長期動物以及大量的臨床試驗證明其安全性和長期療效。

總的來說，脫細胞支架有許多潛在的優(yōu)勢，但是其也存在一些缺點，如脫細胞制作過程可能導致瓣膜結構變化以及蛋白質(zhì)變性而失去瓣膜功能，同種組織取材有限，動物組織的免疫原性和有限的再細胞化。此外，實驗研究中出現(xiàn)的瓣膜狹窄、瓣周漏、瓣膜鈣化等問題還需要進一步優(yōu)化。同時，同種瓣膜和異種瓣膜假體的應用還需要經(jīng)過嚴格的倫理監(jiān)督。這些都需要研究新的人工材料支架作為替代方案。

2 人工材料瓣膜支架

人工材料瓣膜支架可由合成聚合物、天然聚合物以及這些材料的各種組合制成，也可由其與無機分子的組合制成。相比于脫細胞組織支架，人工材料瓣膜支架有更好的設計自由度，具有高重復性和較低的制造成本。

2.1 交聯(lián)聚苯乙烯（x-SIBS）

x-SIBS具有非線性高彈性、高強度、高斷裂伸長率等特點。x-SIBS制成的三葉心臟瓣膜的流體動力學性能測試顯示，x-SIBS瓣膜的血小板激活率與原生組織之間沒有顯著差異，說明移植受體可能不需要長期抗凝治療［16］。Rotman等［17］對x-SIBS瓣膜（Polynova瓣膜）進行了大量的體外耐久性和穩(wěn)定性測試，其中包括加速疲勞實驗、鈣化敏感性測試、壓接穩(wěn)定性測試、水動力測試等，結果顯示，這些瓣膜在加速疲勞實驗中通過了4億次疲勞測試后沒有出現(xiàn)瓣膜撕裂，平均跨瓣壓力階差和反流量逐步降低；與組織瓣膜相比，x-SIBS瓣膜中的鈣和磷沉積顯著降低；經(jīng)過長時間的壓接穩(wěn)定性測試，瓣膜沒有明顯的撕裂和表面損傷。另有相關研究表明，聚合物瓣膜的性能優(yōu)于生物瓣膜，可以同時將小葉穿孔、破裂和撕裂的風險降至最低，有成為生物瓣膜優(yōu)質(zhì)替代品的潛力［18］。為了進一步評估該瓣膜在預期使用條件下的性能，還需要進行大量必要的體外和體內(nèi)研究。

2.2 聚對苯二甲酸乙二酯（PET）

PET作為一種耐用且有價值的植入器械材料被廣泛應用。PET假體的制造工藝為機械編織，更能抵抗周期性的脈動拉伸并與宿主組織很好地結合。PET在人工血管中的應用最為常見，同時也具備作為高分子瓣葉的潛在可能性，因此被用于組織瓣膜工程研究中。Yousefi等［19］比較了PET編織材料縫制出的人工瓣膜與生物瓣膜體外流體動力學的差異，結果表明PET瓣葉的動態(tài)柔韌性與生物瓣葉非常相似，PET瓣膜關閉量與生物瓣膜相當。Vaesken等［20］于2016年開展PET瓣膜材料的體內(nèi)研究，結果表明其容易促進成纖維細胞增殖。因此，需要改進出新的工藝，制備出既具有良好的抗纖維化特性，又具有抗鈣化性的PET材料，避免植入體內(nèi)后過度的組織增生和鈣化導致瓣葉變硬、瓣膜開放和關閉受限。此外，PET材料為疏水材料，易產(chǎn)生凝血反應［21］。因此，單獨的PET材料還需要進一步改良，才能作為臨床使用的瓣膜材料。

3 小結與展望

現(xiàn)今心臟瓣膜病病人體量巨大，急需開發(fā)新型瓣膜材料克服現(xiàn)有瓣膜不足之處。目前，對于組織工程瓣膜的研究仍處于缺乏大量數(shù)據(jù)支持的臨床試驗階段，但眾多生物材料接近天然心臟瓣膜的力學性能和生物學性能展現(xiàn)出巨大的臨床應用潛力。期待未來有更多臨床應用的成功實例以及更新的生物材料的出現(xiàn)，為瓣膜病病人的治療帶來新希望。

參考文獻：

［1］ YANG Y，WANG Z W，CHEN Z，et al.Current status and etiology of valvular heart disease in China：a population-based survey［J］.BMC Cardiovascular Disorders，2021，21（1）：339.

［2］ VAHANIAN A，BEYERSDORF F，PRAZ F，et al.2021 ESC/EACTS guidelines for the management of valvular heart disease［J］.European Heart Journal，2022，43（7）：561-632.

［3］ KOZIARZ A，MAKHDOUM A，BUTANY J，et al.Modes of bioprosthetic valve failure：a narrative review［J］.Current Opinion in Cardiology，2020，35（2）：123-132.

［4］ KOSTYUNIN A E，YUZHALIN A E，REZVOVA M A，et al.Degeneration of bioprosthetic heart valves：update 2020［J］.Journal of the American Heart Association，2020，9（19）：e018506.

［5］ TESTA L，LATIB A，BRAMBILLA N，et al.Long-term clinical outcome and performance of transcatheter aortic valve replacement with a self-expandable bioprosthesis［J］.European Heart Journal，2020，41（20）：1876-1886.

［6］ CIOLACU D E，NICU R，CIOLACU F.Natural polymers in heart valve tissue engineering：strategies，advances and challenges［J］.Biomedicines，2022，10（5）：1095.

［7］ BLUM K M，DREWS J D，BREUER C K.Tissue-engineered heart valves：a call for mechanistic studies［J］.Tissue Engineering Part B，2018，24（3）：240-253.

［8］ BADRIA A F，KOUTSOUKOS P G，MAVRILAS D.Decellularized tissue-engineered heart valves calcification：what do animal and clinical studies tell us？［J］.Journal of Materials Science，2020，31（12）：132.

［9］ POULIS N，MARTIN M，HOERSTRUP S P，et al.Macrophage-extracellular matrix interactions：perspectives for tissue engineered heart valve remodeling［J］.Frontiers in Cardiovascular Medicine，2022，9：952178.

［10］ LINTAS V，F(xiàn)IORETTA E S，MOTTA S E，et al.Development of a novel human cell-derived tissue-engineered heart valve for transcatheter aortic valve replacement：an in vitro and in vivo feasibility study［J］.Journal of Cardiovascular Translational Research，2018，11（6）：470-482.

［11］ SARIKOUCH S，HORKE A，TUDORACHE I，et al.Decellularized fresh homografts for pulmonary valve replacement：a decade of clinical experience［J］.European Journal of Cardio-Thoracic Surgery，2016，50（2）：281-290.

［12］ TUDORACHE I，HORKE A，CEBOTARI S，et al.Decellularized aortic homografts for aortic valve and aorta ascendens replacement［J］.European Journal of Cardio-Thoracic Surgery，2016，50（1）：89-97.

［13］ SARIKOUCH S，THEODORIDIS K，HILFIKER A，et al.Early insight into InVivo recellularization of cell-free allogenic heart valves［J］.The Annals of Thoracic Surgery，2019，108（2）：581-589.

［14］ KONERTZ W，ANGELI E，TARUSINOV G，et al.Right ventricular outflow tract reconstruction with decellularized porcine xenografts in patients with congenital heart disease［J］.The Journal of Heart Valve Disease，2011，20（3）：341-347.

［15］ VAN RIJSWIJK J W，TALACUA H，MULDER K，et al.Failure of decellularized porcine small intestinal submucosa as a heart valved conduit［J］.The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery，2020，160（4）：e201-e215.

［16］ CLAIBORNE T E，SHERIFF J，KUETTING M，et al.In vitro evaluation of a novel hemodynamically optimized trileaflet polymeric prosthetic heart valve［J］.Journal of Biomechanical Engineering，2013，135（2）：021021.

［17］ ROTMAN O M，KOVAROVIC B，BIANCHI M，et al.In vitro durability and stability testing of a novel polymeric transcatheter aortic valve［J］.ASAIO Journal，2020，66（2）：190-198.

［18］ BUI H T，KHAIR N，YEATS B，et al.Transcatheter heart valves：a biomaterials perspective［J］.Advanced Healthcare Materials，2021，10（15）：e2100115.

［19］ YOUSEFI A，VAESKEN A，AMRI A，et al.Heart valves from polyester fibers vs.biological tissue：comparative study in vitro［J］.Annals of Biomedical Engineering，2017，45（2）：476-486.

［20］ VAESKEN A，PELLE A，PAVON-DJAVID G，et al.Heart valves from polyester fibers：a preliminary 6-month in vivo study［J］.Biomedizinische Technik，2018，63（3）：271-278.

［21］ RUSU L C，ARDELEAN L C，JITARIU A A，et al.An insight into the structural diversity and clinical applicability of polyurethanes in biomedicine［J］.Polymers，2020，12（5）：1197.

（收稿日期：2023-05-31）

（本文編輯 鄒麗）