重磅综述！人工血管当前策略、挑战和未来前景 | MedComm-Biomaterials and Applica.

点击此处即可免费获取论文原文

心血管疾病的特征是血管变窄或堵塞，导致血液循环减少和组织损伤，这是由于氧气和营养供应不足造成的。也就是说，当心脏的血管因动脉粥样硬化或其他疾病变得狭窄，血液无法顺畅流动，心脏就会“饥饿”，进而引发一系列严重的健康问题。

那么，我们如何为这些“饥饿”的心脏开辟新的“河道”呢？外科医生通常会采用血管移植手术，即通过将健康的血管移植到狭窄或阻塞的血管部位，来恢复血液流动。然而，这种手术并非完美无缺，它面临着自体血管来源有限、手术创伤大、移植后可能出现的排异反应等问题。

这就是组织工程血管移植物（TEVGs）登场的时候了。TEVGs，是一种高科技的“人造河道”，它们通过模拟真实血管的结构和功能，为血液流动提供了新的路径。

点击此处即可免费获取论文原文

来自印度理工学院（Banaras Hindu University, IIT (BHU)）队在MedComm – Biomaterials and Applications期刊发表了题为“Tissue‐engineered vascular grafts for cardiovascular disease management: Current strategies, challenges, and future perspectives”的综述，全面详细阐述了TEVGs在心血管疾病管理中的当前策略、挑战和未来发展方向。

制造TEVGs的生物材料

要让TEVGs真正发挥作用，我们需要一种特殊的“建筑材料”——生物材料。这些材料是构成TEVGs的基础，它们的选择和特性直接影响到血管移植物的性能和最终的治疗效果。

目前，有多种用于TEVGs的生物材料，分为两大类：合成生物材料和天然生物材料。

合成生物材料，比如聚乳酸（PLLA）、聚乙醇酸（PGA）和聚己内酯（PCL）（图1），它们就像建筑用的钢筋混凝土，具有很好的可塑性和稳定性，优点在于它们的机械性能和生物降解性可以根据临床需求进行调整，让它在需要的时候足够坚固，而在不需要的时候能够安全地分解掉。

图1基于PGA/PLCL的纳米纤维移植物设计：（A、B）使用血管造影术测量绵羊模型中胸下腔静脉的尺寸和形状。（C）计算机辅助设计用于静电纺丝的3D打印心轴。（D）静电纺丝支架。（E、F）在绵羊模型中植入移植物。（G、H）支架的SEM图像。（I）移植物术中图像。

然而，合成材料也有局限性。它们的表面可能不够光滑，容易引起血液凝固。为了解决这个问题，科学家们尝试在这些材料的表面涂上特殊的涂层，比如肝素，以减少血液凝固的风险。

另一方面，天然生物材料，如胶原蛋白和丝素蛋白，这些材料通常具有与人体内细胞和组织相互作用的良好特性，能够更好地融入人体环境。但与合成材料相比，天然材料在机械强度和稳定性方面稍逊一筹。

制造TEVGs的几种关键技术

就像建筑师需要精确的图纸和工具来建造房屋一样，科学家们也需要精细的技术来制造出既符合人体血管特性又能够促进组织再生的血管支架。下面是制造TEVGs的几种关键技术。

电纺丝技术（Electrospinning）：如果我们能够用一种技术将塑料或其他材料制成极细的丝线，这些丝线细到足以模仿人体血管的自然结构。电纺丝技术正是这样的一种技术。它利用电场力将聚合物溶液拉伸成微米甚至纳米级的纤维，然后这些纤维可以被收集起来形成一种多孔的网状结构，这种结构不仅轻巧、透气，而且具有很好的弹性，非常适合用作血管支架。

成型技术（Molding）：成型技术则更像是传统的模具制造过程。首先需要制作一个模仿血管形状的模具，然后将液态的生物材料倒入模具中，待其固化后，一个与模具形状相同的血管支架就制造完成了。这种方法可以制造出具有复杂形状和尺寸的血管支架，非常适合工业化生产。

3D生物打印（3D Bioprinting）：3D生物打印技术则是将生物材料和活细胞按照特定的三维结构逐层打印出来，形成具有生物活性的组织结构。通过3D生物打印，可以制造出更加复杂、更接近真实血管结构的TEVGs。

激光降解（Laser Degradation）：激光降解技术则是一种更为精细的加工方法。通过精确控制激光的能量和扫描速度，可以在聚合物支架上制造出微米级别的孔洞或图案，从而调节支架的机械性能和细胞生长的环境。

去细胞化（Decellularization）：去细胞化技术则是从天然的血管组织开始，通过一系列化学和物理方法去除血管中的细胞，留下纯净的细胞外基质（ECM）。这种去细胞化的支架保留了原始血管的三维结构和生物活性，为新细胞的生长提供了理想的环境。

这些制造技术各有优势和局限性，需要根据TEVGs的具体应用和患者的需求，选择最合适的制造方法。

制造TEVGs的细胞来源

在TEVGs的构建过程中，细胞是不可或缺的组成部分。它们是血管结构的构成者，是血管功能的关键。下面是几种用于血管组织工程（VTE）的细胞来源。

自体血管细胞：这些细胞取自患者自身的血管。使用这些细胞的好处是它们与患者的身体兼容性好，减少了排异反应的风险。但这种方法也有局限性，比如获取细胞的过程可能较为复杂，并且随着年龄的增长，这些细胞的再生能力可能会下降。

胚胎干细胞（ESCs）：胚胎干细胞是一种具有极大潜力的细胞，它们能够分化成人体几乎所有类型的细胞。然而，使用胚胎干细胞涉及到一些伦理问题，并且在人体内应用它们的安全性还有待进一步研究。

间充质干细胞（MSCs）：间充质干细胞是另一种在组织工程中广泛使用的细胞类型。它们存在于我们的骨髓、脂肪组织和许多其他组织中，具有分化成多种细胞类型的能力，包括血管平滑肌细胞。使用MSCs的一个优势是它们可以通过非侵入性的方式获得，并且它们的供应相对充足。

内皮祖细胞（EPCs）：内皮祖细胞是血管内皮细胞的前体，它们在血管修复和再生过程中起着关键作用。EPCs可以从患者的血液或骨髓中提取，这为非侵入性治疗提供了可能。

脂肪来源的干细胞（ASCs）：脂肪来源的干细胞是另一种具有多向分化潜能的细胞，它们可以从脂肪组织中提取，并且具有自我更新和分化成血管细胞的能力。ASCs的使用为老年患者或自体血管细胞供应不足的患者提供了新的治疗选择。

诱导多能干细胞（iPSCs）：诱导多能干细胞是通过特殊的基因重编程技术从成人细胞中制造出来的，它们具有与胚胎干细胞相似的分化潜力。iPSCs为个性化医疗提供了巨大的潜力，因为它们可以从患者的皮肤或血液样本中获得，并重新编程为血管细胞。

每种细胞类型都有其独特的优势和挑战。如何最有效地利用这些细胞来构建TEVGs，以及如何克服与它们相关的局限性正在探索中。例如，自体血管细胞提供了最佳的生物相容性，但获取它们可能需要侵入性手术。而iPSCs虽然具有巨大的分化潜力，但它们的制备过程复杂，且可能存在安全性问题。

种植技术

在TEVGs的制造过程中，细胞种植技术是至关重要的一步，目的是为了让这些细胞在血管支架上生长和增殖，最终形成具有功能的血管组织。下面是几种不同的细胞种植技术（图2）。

图2. VTE 中的细胞种植技术。(A) 静态种植；(B) 动态种植；(C) 灌注种植；(D) 电泳种植(E) 生物反应器种植。

静态种植（Static Seeding）：静态种植是最简单直接的方法，就像把种子均匀撒在土壤上。在这种方法中，细胞被直接放置在血管支架上，然后通过孵化让它们附着在支架上。这种方法简单易行，但可能会导致细胞分布不均匀。

动态种植（Dynamic Seeding）：动态种植像是在风中播撒种子，让种子随风散布得更广。这种方法通过在细胞和支架之间施加动态的流体压力，帮助细胞更均匀地分布在支架上，从而提高细胞的附着和生长。

灌注种植（Perfusion Seeding）：灌注种植类似于灌溉系统，通过控制水流将细胞“灌溉”到支架的每一个角落。这种方法可以确保细胞在整个支架内部得到均匀分布，并通过控制流动条件来优化细胞的密度。

电泳种植（Electrophoretic Seeding）：电泳种植是利用电场的力量，就像用磁铁吸引铁屑一样，通过电场将带电的细胞吸引到支架上。这种方法可以更精确地控制细胞的分布，并且提高种植效率。

生物反应器种植（Bioreactor Seeding）：生物反应器种植就像是在温室中培养植物，提供了一个受控的环境，细胞在其中得到最佳的营养供应、适宜的温度和pH值，以及必要的机械刺激。这种方法模拟了人体内的环境，促进了细胞的生长和组织的形成。

每种种植技术都有其特点和优势，选择哪一种取决于希望细胞如何在支架上生长，以及希望TEVGs达到什么样的功能和性能。

血管移植失败：患者状况的影响

成功移植的血管移植物就像是在患者体内重新开通了一条生命通道。然而，这条通道并不总是一帆风顺，有时它可能会因为种种原因而“堵车”或“塌方”，也就是血管移植失败。影响血管移植成功与否的诸多因素，尤其是患者自身的健康状况。

对于糖尿病患者来说，其血液更容易形成血栓，这是因为糖尿病会导致血小板更容易聚集，同时释放一种叫做von Willebrand因子的物质，它进一步促进血小板的聚集。这种聚集会导致血管内壁的损伤，从而增加动脉僵硬度。因此，糖尿病患者在进行血管移植时，面临着更高的失败风险。

高血压患者体内的血液压力持续较高，会对新移植的血管造成额外的压力。长期处于这种高压状态可能会损害血管的内皮层，影响移植血管的长期通畅性。

随着年龄的增长，血管会逐渐老化，变得更加僵硬，更容易发生钙化。这些变化增加了血栓形成的风险，使得移植的血管在老年患者中更容易出现问题。

除了上述因素外，患者的其他健康状况，如吸烟、高胆固醇、肥胖等，也可能影响血管移植的成功。这些因素都可能导致血管炎症、内皮功能障碍，从而增加移植失败的风险。

鉴于每位患者的具体情况都不尽相同，个性化医疗在TEVGs的应用中显得尤为重要。

应对挑战：提高TEVG性能的策略

TEVGs的发展是一条充满挑战的道路。这些挑战包括如何提升TEVGs的抗血栓性、防止血管钙化，以及增强细胞在血管内的长期存活率。为了解决这些问题，科学家们已经开发了一系列策略。

首先，抗血栓性是TEVGs成功植入后的关键因素。为此，科学家们采用了内皮化技术，在TEVGs表面种植内皮细胞，形成一层能够抵御血栓形成的天然屏障。此外，通过在TEVGs表面涂上肝素等抗血栓药物，进一步降低了血液凝固的风险。

细胞招募和粘附也是TEVGs成功整合的重要因素。为了提高细胞在TEVGs上的招募和粘附，科学家们利用特定粘附肽，如RGD序列，以及生长因子，例如VEGF，来促进细胞的增殖和分化。

血管钙化可能影响TEVGs的长期功能，为此，研究人员考虑在TEVGs中加入抗钙化剂，如双膦酸盐和柠檬酸，以抑制钙盐的沉积。表面改性也是提高TEVGs性能的重要手段。利用弹性蛋白等材料的天然抗血栓特性，可以改善血管表面的生物相容性，从而减少血液接触时的血栓形成风险。同时，科学家们还在探索抗凝剂的应用，如在TEVGs表面涂上肝素，能够有效减少血液凝固，提高TEVGs的抗血栓性能。

除了上述策略外，科学家们还在探索综合性的方法来提高TEVGs的性能，比如：生物反应器培养：在模拟体内环境的生物反应器中培养TEVGs，以促进细胞的生长和组织的形成。纳米技术和生物活性支架：利用纳米技术制造具有更好机械性能的支架，并在支架中加入生长因子或细胞因子，以促进组织再生。

随着科技的不断进步，TEVGs的研究正逐渐从实验室走向临床，人们正在不断探索不同的方法（图3）。

图3. VTE包括从捐赠者或干细胞获取细胞，然后以基于支架的方法将它们接种到支架材料上，例如合成聚合物或脱细胞血管支架。或者使用无支架技术，如血管细胞生物打印。然后将所得结构进行培养（通常在生物反应器中），以开发适合临床应用（如冠状动脉搭桥术）的特性。

将来，这项技术将为心血管疾病患者带来更加安全、有效的治疗选择，让他们重新获得健康的生活。