再生医学前沿：人工血管未来之路2023

前言心血管系统的缺陷、损伤和退行性疾病，如冠心病、心力衰竭和中风，常常需要进行手术干预并植入替代材料和导管。传统的血管移植物已经被使用了近一个世纪，包括合成聚合物、动物组织、尸体组织，以及自体血管。然而，这些传统移植物的应用过程中也暴露出许多问题，例如其耐用性和长期通畅性问题、感染的易感性、免疫原性和排斥风险，以及炎症和机械故障。目前，再生医学和生物工程一直在致力于满足器官修复、再生或替换的需求，寻求既无免疫反应又具有耐用性的解决方案。在这些解决方案中，组织工程技术已经在诸如皮肤病学等多个领域产生了显著的影响，制造了有细胞或无细胞的皮肤替代品，并且在血管领域也取得了显著的进步。尤其是具有活的自体细胞或脱细胞的组织工程血管移植物，被认为是心血管重建领域的前沿技术。这些新型的移植物与传统移植物相比，有许多优势，尤其在被植入后能被宿主组织接受和重塑，提供更安全、更持久的性能。这些人工组织材料的开发，旨在提供一种与自体血管具有相似免疫原性和长期功能特性的替代品，同时也能减轻患者收获自身血管的伤口护理和手术时间负担。根据世界卫生组织的报告，心血管疾病是全球死亡的主要原因之一，需更换血管导管的患者数量正稳步增长，因此这一领域的研究显得尤为重要。在当前的临床应用中，出现了多种类型的血管移植物，包括合成高分子材料血管移植物、天然高分子材料血管移植物以及人类脱细胞血管。这些不同类型的移植物具有各自的特点和优势。本文旨在比较和探讨它们的特性，以期为心血管系统修复和替代提供更有效的解决方案。合成不可降解聚合物血管移植物目前使用的传统血管移植物主要是合成高分子材料。合成不可降解聚合物血管移植物包括：膨体聚四氟乙烯（ePTFE，Gore-Tex）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethyleneterephthalate，涤纶）和聚氨酯（Polyurethane，PU）。它们的优点在于相对低廉的生产成本、即时可用性和较ePTFE移植物在实践中被分为低孔隙率（<30μm结间距离）和高孔隙率（>45μm结间距离）。更高的孔隙率可提供更大的组织内生长潜力，而更低的孔隙率则导致移植物更硬，更不灵活，限制了组织内生长和内皮化。其缺点，特别是在小直径（<6mm）设置中，包括因移植物对血栓形成、炎症、狭窄的敏感性以及与宿主血管顺应性不匹配而导致的长期通畅问题。此外，感染和血栓形成是ePTFE血管移植物的主要并发症，特别是在小直径情况下。涤纶导管由聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维制成的涤纶血管移植物可以编织或针织。尽管编织移植物具有小孔，渗透性较低且出血较少，但针织移植物由于纤维相互缠绕，具有较大的孔隙，可以促进更大的组织内生长且顺应性更好。然而，由于孔径较大，针织移植物必须预先处理，涂覆可降解的白蛋白、明胶甚至血液，以防止植入后血浆渗漏和血清肿形成，尤其在主动脉等高压血管中。长期通畅性差，特别是在小直径血管中，仍然限制了涤纶在临床上的应用。PU移植物代表了另一种合成移植物，由三种不同的单体共聚形成：刚性的硬链段，聚合物扩链剂，以及用于柔韧性的柔软的无定形链段（如聚酯、聚醚或聚碳酸酯）。传统PU移植物在生理条件下的降解是一个问题，这与酶攻击、氧化应激以及应变或应力裂纹的产生有关。在临床应用中，主要关注的是血栓形成的风险。总的来说，随着时间的推移，ePTFE、涤纶和PU移植物几乎无或少有透壁组织向内生长，通畅率也相似。合成高分子材料在血管移植中暴露的缺陷1.合成移植物的风险合成移植物对患者存在持续的风险，包括低通畅率、差的机械顺应性、高感染率和耐久性问题。例如，高达90%的ePTFE移植物出现血栓形成，导致内膜增生和狭窄。特别是直径小于5毫米的移植物，其通畅率极低。2.合成材料的问题ePTFE和涤纶这两种最常见的商用人工移植物都非常坚固，化学惰性，可以大规模制造，且储存方便。然而，它们未能复制天然脉管系统的关键元素，忽视了调节决定移植物命运的重要生物学机制。这些合成材料的表面粗糙、疏水性强，与血管细胞的相互作用差，易激发血液凝固。3.人工移植物的主要失败模式人工移植物主要的失败模式源于缺乏完整的内皮。对比健康的内皮，恢复保护性内皮细胞层的合成材料更易增加血液凝固率。粗糙的疏水表面导致血细胞相互作用和蛋白质吸附增多，加速凝块形成。缺乏内皮还允许平滑肌细胞迁移到内膜并过度增殖，导致新内膜增生，这是移植物中晚期失败的主要原因。此外，血小板和促炎免疫细胞会粘附在移植物表面并被激活，释放生长因子和炎症细胞因子，促进平滑肌细胞的增殖。图1：ePTFE移植物作为血液透析血管通路，植入后7个月被取出来检查来源：CirculatA，用三色染色法，我们可以看到血栓（箭头所指）、炎症性渗出物（IE）、外膜（Ad）、移植物（G）和肉芽组织（P）。B，用苏木精-伊红染色法，我们可以看到破碎的移植物壁，壁的缺陷（F）处有外膜和纤维化，以及血栓（T）。C，用苏木精-伊红染色法，我们可以看到多核巨细胞（大箭头）、巨噬细胞（小箭头）和中性粒细胞（箭头头部）。D，用革兰染色法，我们可以看到在内膜表面的纤维蛋白内有革兰阳性球菌（箭头所指）。天然高分子材料血管移植物天然高分子材料的潜力特性及在人工血管移植物中的应用展望下一代人工血管移植物的设计目标是满足多个设计标准，其中包括微调的生物学线索以及调控血液兼容性和血管细胞生长的机械性能。在这样的需求推动下，天然高分子材料显露出其巨大潜力。这类材料，如胶原、明胶、海藻酸钠和壳聚糖，均具有无毒、亲水、细胞亲和性以及优良的生物相容性等特性，这使得它们在制备人工血管中特别适用。一些天然材料包括哺乳动物细胞外基质的经典成分（如胶原和弹性蛋白），以及非哺乳动物的大分子（如丝、纤维素和壳聚糖），它们具备良好的机械或生物学性质，因此有望被整合到人工血管移植物的设计中。然而，这些天然材料在力学性能上常常不尽如人意，需要经过特定的处理以满足人工血管的材料需求。表1：天然材料用作人工血管移植物的优缺点面临的挑战与创新突破尽管天然材料具有显著的优势，其广泛应用仍受制于一些传统难题，包括力学强度不足、降解速度过快、设计复杂度过高以及翻译难题等。然而，伴随着制造技术的进步、材料来源的多样化、后处理策略的完善、设计简化以及商业化突破的创新，这些天然材料在人工血管移植物的应用中呈现出重新被关注和审视的价值。图2：用天然材料对人造血管进行生物工程来源：TrendsinBiotechn人类脱细胞血管血管移植物面临着迫切的市场需求下一代生物工程血管移植物在开发中应满足各方面需求，这包括患者、医疗保健专业人员以及医院环境的需求。其主要目标是降低从自体细胞、静脉或动脉采集细胞的时间、伤口护理或手术时调整实践需求：紧急血运重建程序对现场简单、标准化的储存方式非常重要，因为这种方式可以消除由于运输、解冻冲洗或涂层而导致的任何术前延迟。机械和结构特性：生物工程替代血管必须具有良好的机械和结构特性，以便进行手术处理，承受动脉系统的高压环境，同时提供与合成移植物和自体血管系统相等或更好的功能性能，特别是在感染、血栓形成或机械故障的风险方面。免疫原性：为了成为自体静脉或动脉的有效替代方案，生物工程血管移植物需要显示出最小的免疫原性潜力，以避免植入物引发的排斥反应，并保留患者未来的器官移植机会。因此，需要消除使用异源或同种异体细胞材料。人类脱细胞血管：新一代人造血管Humacyte是一家利用其独特技术开发人类脱细胞血管（HumanAcellularVessels™,HAV）的生物医疗公司。HAV是一种具有革命性的生物工程产品，旨在满足患者、医疗保健专业人员和医院环境的需求，能够方便地植入任何患者体内，不引发异物反应或免疫排斥。Humacyte正在开发各种直径和长度的HAV，初步面向血管修复、重建和替代市场，包括血管创伤治疗、动静脉（Arteriovenous，AV）接口为血液透析提供通道、周围动脉疾病（PeripheralArteryDisease，PAD）、冠状动脉搭桥手术（CoronaryArteryBypassGrafting，CABG）根据数据显示，Humacyte开发的HAV能承受的最大压力与已报道的自体动脉的压力相当。例如，人类主动脉的破裂压力已报道为1,400mmHg，人类脑动脉的破裂压力则为1,800mmHg。相较之下，Humacyte的HAV能够承受高达3,200mmHg的压力才会破裂，这说明HAV的机械性能与自体人类血管基本相当。此外，Humacyte也在开发用于儿科心脏手术和细胞疗法（如用于治疗1型糖尿病的胰岛细胞移植）的HAV，并将继续探索其技术在更广泛市场和指标中的应用，包括发展尿道、气管、食管和其他新型细胞输送系统。人类脱细胞血管的生产过程在制造HAV的过程中，Humacyte首先利用传统的细胞培养技术进行扩展，然后将细胞转移至一次性使用的生物反应器袋中的生物相容性、可生物降解的聚合物网格上。被接种到管状网格上的细胞使用专有的培养介质进行约8周的循环机械拉伸，细胞在此期间增殖并建立细胞外基质，同时聚合物网格逐渐降解，形成由主动脉血管细胞及其沉积的细胞外基质构成的生物工程血管。在培养周期结束后，Humacyte使用盐、酶和洗涤剂的专有组合对生物工程血管进行脱细胞，然后在药品级中性pH缓冲生理盐水中进行多次清洗。最后的HAV保留了人体细胞外基质成分，因此具有生物工程血管的生物力学特征，但是已经去除了可能在植入后引发异物反应或免疫排斥的细胞和细胞成分。脱细胞后，HAV被包装在生产它们的同一柔性生物反应器袋中，以无菌磷酸盐缓冲生理盐水作为辅料。当包装被送到手术室时，HAV由手术团队从生物反应器袋中取出。图4：人类脱细胞血管的生产过程人类脱细胞血管（HAV）的优势应对血管修复挑战：目前对于血管修复、重建和置换的需求，存在显著的局限性和风险，如自体静脉采集手术引发的并发症，合成移植物带来的异物反应，冷冻血管的供应限制和异物反应，以及动物源血管引发的血栓形成和结构恶化。相比之下，HAV提供了一个新的解决方案。即时可用：HAV可以在医院、创伤中心和门诊手术中心等地方现场存储，并且在需要的时候，可以立即从其原始的柔性生物反应器袋中取出来使用，节省了冲洗、收割或解冻的时间。无需手术采集：采用HAV无需进行严重的自体静脉采集手术，这样可以减少手术和恢复时间，减少潜在疤痕和毁容，降低成本，避免许多可能的健康并发症。非免疫原性，无异物反应：由于HAV的无细胞性，它们不会产生与使用合成移植物相关的异物反应，或与冷冻保存血管相关的免疫反应。低感染易感性：在迄今为止的临床试验中，HAV与合成材料相比显示出较低的感染率。因此，它们可用于处理复杂且可能被污染的伤口，同时减少初始手术后的患者并发症。均匀且可预测的大小、结构和质量：HAV按照精确的规格和受控质量标准制造，使得外科医生能够灵活地快速轻松地为每个适应症选择适当尺寸和形状的HAV。再生潜力：HAV能够以患者自己的血管细胞重新增殖，形成活的血管组织，带来自我愈合和抗感染人类脱细胞血管研究及临床进度海外代表公司：HumacyteHumacyte的HAV已在全球范围内成功植入约533名患者。正在进行针对6毫米HAV的第2阶段和第3阶段的临床试验，疗效指标为血管创伤和动静脉接口血液2014年，美国FDA授予Humacyte的6毫米HAV在动静脉接口血液透析中的快速通道指定。2017年，Humacyte首次获得FDA的再生医学高级疗法（RMAT）指定，用于创建进行血液透析的Humacyte的HAV产品获得美国国防部优先指定，计划在第3阶段试验完成后，向FDA提交生物制剂许可申请（BLA），以获取血管创伤和动静脉接口血液透析的适应症。国内代表公司：海迈医疗海迈医疗科技（苏州）有限公司2021年9月1日成立于苏州工业园区，是一家领先的组织工程与再生医学技术平台公司，早期专注于开发和生产同种异体小口径组织工程血管，适用于慢性肾衰透析血管通路建立、下肢动脉外伤血管替代、下肢动脉粥样硬化及冠心病搭桥术。创始人邱雪峰博士是一位拥有25年心血管外科临床经验和研发经历的专家。他在小口径人工血管、干细胞、生物材料和心血管医疗器械领域积累了丰富的知识和经验。他曾三次获得加州再生医学研究所(CIRM)的研究奖励，并发表了60多篇论文，其中包括在生物材料领域专业刊物《Biomaterials》上发表的多项组织工程小口径血管研究成果。邱博士还荣获湖北省科技进步一等奖、中华医学会Lillehi奖，并于2018年获得武汉东湖高新区第十一批“3551”创业人才称号。他于2021年入选苏州工业园区领军人才。邱博士在心脏大血管外科领域，特别是主动脉和大血管外科、冠脉搭桥等方面拥有丰富的手术和临床经验。Reference:Naegeli,K.M.,Kural,M.H.,Li,Y.,Wang,J.,HugentobleBioengineeringhumantissuesandthefutureofvascul