[摘要] 心脏瓣膜病是常见的心脏病,心脏瓣膜置换术是治疗心脏瓣膜病的有效方法。目前所用的机械瓣和生物瓣均存在一定的缺点,探索和研究一种理想的人造心脏瓣膜,是心脏瓣膜外科领域所要解决的重大问题。随着组织工程技术的发展,组织工程心脏瓣膜被认为是一种潜在的理想的人造瓣膜,具有非常重要的临床应用前景,是目前心脏瓣膜外科领域重大研究课题。本文对近年来组织工程瓣膜支架材料、组织细胞来源和种植、体外预适应和在体动物试验等方面研究进行了评估,并指出目前研究中所存在的问题。
心脏瓣膜病是常见的心脏病,心脏瓣膜置换术是治疗心脏瓣膜病的有效方法。目前临床上应用的人造心脏瓣膜主要有机械瓣和生物瓣两大类。应用机械瓣置换心脏瓣膜后必须长期服用抗凝药,因抗凝不当而造成的出血、血栓形成及栓塞是影响患者长期存活的重要因素[1];而应用生物瓣置换心脏瓣膜病后,尽管无需长期的抗凝治疗,但术后易发生生物瓣钙化和衰败,导致植入的生物瓣发生功能障碍,而需再次手术置换[2]。因此,目前所用的机械瓣和生物瓣均存在一定的缺点,探索和研究一种理想的人造心脏瓣膜,即术后既无需抗凝,又具有很好的耐久性,同时还能够适应身体生长发育的要求,这是心脏瓣膜外科领域所要解决的重大问题。随着组织工程技术的发展,组织工程心脏瓣膜被认为是一种潜在的理想的人造心脏瓣膜,是目前心脏瓣膜外科领域的重大研究课题。
1 研究思路和方法
组织工程心脏瓣膜的基本思路和方法是:采用人工合成材料、同种或异种的脱细胞心脏瓣膜作为组织工程心脏瓣膜的支架,通过将体外扩增的患者自体活细胞种植在瓣膜支架上,细胞能够牢固黏附、生长,使其具有正常瓣膜组织的新陈代谢功能,最后应用于置换病变的瓣膜,在体发挥类似于正常瓣膜的功能。因此,组织工程心脏瓣膜不仅从功能上发挥正常瓣膜的功能,而且在结构上类似于正常瓣膜,目前被喻为活体生物瓣。从理论上讲,它完全克服了目前所用两类人造心脏瓣膜的缺点,具有非常重要的临床应用前景[3]。组织工程心脏瓣膜的研究包括瓣膜支架材料、组织细胞来源和种植、体外预适应和在体动物试验等方面的内容。
2 瓣膜支架材料
理想的组织工程瓣膜支架材料不仅要提供种植细胞生长的空间和瓣膜组织细胞生成的模板,同时又要求在瓣膜细胞生成之前提供足够的机械强度,承受快速血流的冲击所产生的张力和剪切力。目前实验研究的支架材料主要有生物可降解高分子材料和脱细胞瓣膜支架材料两类[4,5]。生物可降解高分子材料所制成的瓣膜支架可随着种植细胞外基质的形成,支架逐渐降解、重吸收,被新生瓣膜组织细胞取代,最终在瓣膜组织中不遗留任何异物,因此,它无疑是瓣膜支架的最好选择。目前研究所用的高分子材料主要有聚羟基乳酸(PGA)和乳酸与羟基酸的共聚物(PLGA)、聚羟基烷酸酯(PHO)、羟基丁酸酯(P4HB),以及PGA-PHA共聚物等。但由于高分子材料表面缺乏细胞识别位点等原因,影响种植细胞在其表面的黏附生长,种植细胞易于脱落,动物实验效果并不理想。目前,试图在材料表面引入细胞识别肽段RGD,增加表面的粗糙性或使表面呈网络状结构,以提高细胞的黏附力。此外,有些学者正在应用纤维蛋白胶构建瓣膜支架,或用人的肌成纤维细胞构建瓣膜支架,目前尚未发现其方法优于高分子材料。
另一类组织工程瓣膜的支架是采用同种或异物瓣膜经脱细胞处理后的瓣膜支架,脱细胞处理后的瓣膜支架不仅消除了抗原性和免疫原性,而且保持正常瓣膜三维空间,其纤维网络结构有利于细胞种植和生长,并且有很好的抗张强度。研究结果表明在脱细胞处理的瓣膜支架上种植细胞所构建的初级组织工程瓣膜,要比在生物材料支架上简单、易行,三维空间结构和组织学结构更佳。从临床应用前景出发,异种瓣膜脱细胞处理后的瓣膜支架应该是最具有研究和应用前景。但由于目前尚缺乏动物长期实验结果,很难评价两者间的优劣。
3 组织细胞来源和种植
支架是组织工程瓣膜的基础,而组织细胞的来源和种植则是关键。目前实验研究所用的细胞来源有动脉或静脉的血管内皮细胞、血管或皮肤的成纤维细胞或平滑肌细胞、骨髓基质干细胞、脐带血干细胞等[6]。从今后临床应用的目的出发,鉴于骨髓基质干细胞具有多分化潜能的特性,骨髓基质干细胞应该是最有研究价值和临床价值的种子细胞来源。本实验室已经成功应用骨髓基质干细胞种植于脱细胞处理的瓣膜支架,组织学检查结果表明其种植效果优于血管内皮细胞。我们此前进行的实验已成功去除猪主动脉瓣中的细胞,血管内皮细胞种植在脱细胞瓣膜支架上构建的初级组织工程瓣膜示细胞生长良好。 正常瓣膜细胞不仅具有完整的内皮细胞,而且具有成纤维细胞和细胞外基质。在单纯支架上种植内皮细胞或上皮细胞后,在体内血流冲击下很容易脱落,因此,一般应先种植肌成纤维细胞[9],所产生的细胞外基质能明显增加而后种植的内皮细胞的黏附力,同时对瓣膜进行更新。目前细胞种植的关键性技术首先是在种植内皮细胞之前,对肌成纤维细胞和细胞外基质的量应达到何种程度为宜的把握,过多则影响瓣叶厚度及功能,过少则不利于内皮细胞的黏附;其次是植入体内后肌成纤维细胞是否会过度增殖。因此,在这些方面还需进行大量的实验研究。
4 体外预适应
随着细胞培养技术的研究进展和组织工程瓣膜研究的深入,发现经体外种植、培养所形成的组织工程瓣膜的内皮细胞黏附力较低,在体动物实验发现内皮细胞易于脱落,而且生理功能与正常细胞相比明显不足,其构建的组织工程瓣膜性能明显达不到正常瓣膜的要求。而在体血流动力学环境对内皮细胞的生物学特性和正常功能至关重要。因此,目前绝大多数研究者认为体外构建的组织工程瓣膜在植入体内之前,必须经过模拟体内环境的预适应,以增加细胞增殖和胶原产生能力、细胞黏附能力、内皮细胞的轴向性等生物学特性。研究发现[10],体外构建的组织工程瓣膜在逐渐经过模拟体内血流的生物反应器后,其功能和生物学特性均有明显改善,再行在体动物实验后的结果表明其瓣膜结构和细胞生物学特性要明显优于未经体外预适应的组织工程瓣膜。因此,在临床应用组织工程瓣膜之前也应经过体外预适应的阶段,这无疑也增加了组织工程瓣膜临床应用的难度。
5 组织工程瓣膜的动物实验和临床应用
目前组织工程瓣膜的在体实验研究尚处于动物实验阶段。无论是高分子生物材料,还是脱细胞处理的异种或同种瓣膜支架所构建的组织工程瓣膜,动物实验的近期效果尚较满意。Hoerstrup等[10]将体外种植、培养的瓣膜置换自体肺动脉瓣,术后20周时新生瓣膜的机械特性和自体瓣膜相似,瓣膜的内皮细胞有增殖能力,组织学检查发现植入的瓣膜结构与自体瓣膜相似。Dohmen等[11]也取得了相似的实验结果。但由于动物实验的观察时间有限,植入的部位均为肺动脉瓣,因此,植入后长期结果尚难预测,尤其是植入瓣膜的生物学特性。迄今为止,仅见Dohmen等[12]应用体外构建的组织工程瓣膜植入施行Ross手术患者的肺动脉瓣,3个月后心脏超声检查显示瓣膜功能良好,1例于术后1年复查,其瓣膜功能优良,无瓣膜增厚或钙化。尽管植入体内的组织工程瓣膜的瓣膜组织学结构状况仍无法得知,但Dohmen等开创了临床应用组织工程心脏瓣膜的先河,使我们看到了组织工程瓣膜临床应用的美好前景。
6 结 语
组织工程瓣膜作为目前瓣膜外科领域研究的重大课题,已经取得了相当大的进展和令人鼓舞的成绩,使我们看到了临床应用的曙光。但这一新兴的技术仍处于探索和动物实验阶段,有许多技术问题和临床实际问题尚待解决和克服,尤其是如何进一步提高种植细胞的黏附力,如何构建一个安全和有效的体外预适应装置以适应临床应用的实际需要,如何维持组织工程瓣膜植入体内后的长期效果,等等。然而,随着组织工程技术的发展和对组织工程瓣膜研究的不断深入,这些难题必将会迎刃而解,组织工程瓣膜完全有可能在未来10年内广泛应用于临床。
[参考文献]
[1] Hammermeister KE, Sethi GK, Henderson WG,et al. A comparison of outcomes in men 11 years after heart-valve replacement www.51lunwen.orgwith mechanical valve or bioprosthesis[J].N Engl J Med,1993,328(18):1289-1276.
[2] Mayer JE Jr.Uses of homograft conduits for right ventricle to pulmonary artery connections in the neonatal period[J]. Semin Thorac Cardiovasc Surg,1995,7(3):130-132.
[3] Fuchs JR, Nasseri BA, Vacanti JP. Tissue engineering: a 21st century solution to surgical reconstruction[J].Ann Thorac Surg,2001,72(2):577-591.
[4]
