新型心脏瓣膜材料应用的人体组织工程学多维度分析

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《亚青结构前沿速递》(结构速递)是由亚太结构青年俱乐部发起的一档专题栏目，旨在为行业传递最新的结构性心脏病前沿信息。栏目每周从全世界顶级刊物中选取一篇代表性的文章，翻译其摘要，配予精美图片，并进行解读，于每周六发布。

作者：成思，范嘉祺，刘先宝

背景  

人类组织工程基质材料（Human tissue-engineered matrices, hTEMs）目前被认为是原位移植组织工程心脏瓣膜（tissue engineered heart valves, TEHVs）的一种富有前景的选择。然而，对于基质材料中细胞外基质（Extracellular matrix, ECM）成分随着组织培养时间推移而发生如何进展，对此了解仍然有限。

目的

本研究的目的是对人类组织工程基质材料所研制的新型心脏移植瓣膜进行多维度多参数分析。

方法 

本研究采用一系列多维度多参数评估手段，首先，通过免疫组织学检验、生化检测以及质谱分析（mass spectrometry , LC-MS/MS）等方式，在不同组织培养时间（2、4、6周）对hTEMs的组成成分进行分析；其次，利用基因集富集分析(gene set enrichment analysis , GSEA)明晰ECM发育过程中涉及的蛋白质通路；并采用单轴拉伸试验评估hTEMs的生物力学性能；最后，作为概念性验证，使用培养6周hTEMs样品制造的TEHVs在脉冲流体机中进行测试。

结果 

本研究的质谱分析结果证实了在组织学和生化检测中观察到组织培养时间依赖性的ECM蛋白增加，并揭示了最为丰富的集中在胶原蛋白(COL6, COL12)、蛋白聚糖(HSPG2, VCAN)和糖蛋白(FN, TNC)。进一步在2周(mRNA代谢过程)、4周(ECM产生)和6周(ECM组织和成熟)的hTEMs的GSEA结果中明确了最具代表性的蛋白质通路。此外，单轴力学测试显示在组织培养过程中hTEMs材料疲劳时，应变降低的同时出现硬度和应力增加的生物力学现象。最后，将hTEMs制备的成品心脏瓣膜分别置于肺动脉和主动脉压力环境的脉冲模拟机中均表现出良好的体外运动使用性能，瓣叶可对称性吻合并无狭窄。

结论 

hTEMs材料的ECM蛋白的丰度和成熟度随着组织培养时间的增加而增加，从而优化了其力学特性并提示其可能更适用于高压环境的应用。这些结果在将基于hTEMs材料的TEHVs的临床有效转化及预测其植入后的重塑潜力迈出了重要一步。

专家点评

目前经导管植入的心脏生物瓣膜的适用人群正在由早期的高风险高龄患者扩大至中低风险年轻患者，因而对瓣膜耐久性提出了更高的要求。传统的基于牛或者猪心包的商业化经导管生物瓣膜在临床应用过程中暴露出钙化、微血栓的形成、免疫原性的个体差异以及手动缝制的繁琐性等弊端，限制着产品的临床实际寿命。优化生物瓣膜的同时，医生和工程师将视野扩展至合成型高分子聚合物心脏瓣膜以及可降解再生组织工程心脏瓣膜。本研究使用纵向和深入的多尺度评估，建立起螺旋生物组织培养系统，从而实现了应用于心血管的hTEMs样品的可扩展性和可重复性制备。通过质谱分析及基因集富集分析全面评估在体内外环境中ECM蛋白组成差异及时间依赖性改变并诠释ECM成分与免疫系统的关系，可能涉及免疫细胞的激活，通过影响浸润细胞的级化级联反应从而改变基质重塑。对于可降解再生组织工程心脏瓣膜，精确分析在细胞外基质基础上具有再生潜力植入物的确切组成，是这类仿生假体安全临床转化的关键一步。此外，TEHVs的体内重塑潜力和长期耐久性能将受到ECM成分、聚合物和细胞残留物的影响，这些都是巨噬细胞粘附、浸润和极化的潜在触发因素。因此，了解ECM的整体进展过程可有助于优化未来的新型可降解心脏生物瓣膜的制备，对其免疫相容性全面评估应该作为安全临床转化的基石，将是新一代产品研发过程中不可或缺的一部分。

参考文献：

Poulis N,Breitenstein P,Hofstede S et al. Multiscale analysis of human tissue engineered matrices for next generation heart valve applications.[J]. Acta Biomater, 2023, doi:10.1016/j.actbio.2023.01.007

专家介绍

成思

医学博士，住院医生，浙江大学医学院附属第二医院心内科医生。主要研究领域为心脏瓣膜病相关机制探索，及经导管心脏瓣膜介入治疗相关材料研发。主持国家青年自然科学基金1项，发表SCI论文3篇。

范嘉祺

范嘉祺，主治医师，浙江大学医学博士、工学学士，哈佛大学公共卫生硕士生。曾于以色列希伯来大学医学院Hadassah医院交流，辅修德语，晨兴文化中国人才学员。主要擅长心血管常见病（如冠心病、心脏瓣膜病）的诊治和心血管医学影像人工智能等方面。多次在全国及国际性心血管大会发言并获奖，主持国家自然科学基金1项，中央高校基本科研基金1项，作为课题骨干参与国家、省重点研发计划以及浙江省多项科学基金研究，获国家授权发明专利2项，发表高质量论文40余篇，其中SCI论文30余篇，其中以第一作者发表论文于JACC、JAHA等国际著名期刊。

刘先宝

医学博士，主任医师，教授，博士研究生导师，浙江大学医学院附属第二医院心内科副主任，亚太结构性心脏病青年俱乐部黄金会员。美国心脏病学会专家委员（FACC），美国心血管造影与介入治疗协会专家委员（FSCAI）、中华心血管病分会结构性心脏病学组委员，中国医师协会心血管病分会青年委员。曾多次留学美国、德国等多个国家，擅长心脏瓣膜病、冠心病的经导管介入治疗，协助学科和王建安教授在国内领先开展经导管心脏瓣膜介入治疗，指导欧洲、南美、亚太地区4个国家7大中心以及全国27个省市自治区近100家医学中心的手术。主持国家863计划（青年科学家专题）1项、国家自然科学基金3项、发表SCI论文70余篇，获国家授权发明专利5项。

来源：APSH青年俱乐部

编辑/排版：医心网协助编辑