人工心脏瓣膜
最近審查：04.07.2025
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人工心脏瓣膜是如何研制出来的？
组织工程的科学概念是基于在合成或天然可吸收支架（基质）中植入和生长活细胞（成纤维细胞、干细胞等）的理念，该支架（基质）是一种三维瓣膜结构，以及使用信号在细胞外基质形成期间调节基因表达、移植细胞的组织和生产力。
此类人工心脏瓣膜需要与患者组织整合，最终修复并维持其结构和功能。在这种情况下，由于细胞（成纤维细胞、肌成纤维细胞等）的功能，会在原有基质上形成新的胶原-弹性蛋白框架，或者更准确地说，是细胞外基质。因此，通过组织工程技术构建的最佳人工心脏瓣膜应在解剖结构和功能方面接近天然瓣膜，并具有生物力学适应性、修复和生长能力。
组织工程利用各种细胞来源来开发人工心脏瓣膜。因此，可以使用异种或同种异体细胞，尽管前者存在将人畜共患病传播给人的风险。通过对同种异体细胞进行基因改造，可以降低抗原性并防止身体产生排斥反应。组织工程需要可靠的细胞来源。这种来源是直接从患者体内提取的自体细胞，并且在重新植入过程中不会产生免疫反应。有效的人工心脏瓣膜是基于从血管（动脉和静脉）获得的自体细胞生产的。已经开发出一种基于荧光激活细胞分选（FACS）来获取纯细胞培养物的方法。从血管中获得的混合细胞群用乙酰化低密度脂蛋白标记物进行标记，该标记物选择性地吸附在内皮细胞表面。然后，内皮细胞便可轻松地从血管中提取的大量细胞中分离出来，这些细胞将是平滑肌细胞、肌成纤维细胞和成纤维细胞的混合物。细胞来源，无论是动脉还是静脉，都会影响最终构建体的特性。因此，采用静脉细胞基质的人工心脏瓣膜在胶原形成和机械稳定性方面优于采用动脉细胞基质的人工心脏瓣膜。选择外周静脉似乎是更便捷的细胞采集来源。
肌成纤维细胞也可从颈动脉获取。然而，血管来源的细胞与天然间质细胞的特性有显著不同。自体脐带细胞可作为替代细胞来源。
基于干细胞的人工心脏瓣膜
近年来，干细胞研究促进了组织工程的进展。使用红骨髓干细胞具有其优势。尤其是生物材料采集简便，易于体外培养并随后分化为各种类型的间充质细胞，因此无需使用完整的血管。干细胞是多能性细胞谱系来源，并具有独特的免疫学特性，这有助于其在同种异体条件下保持稳定性。
通过胸骨穿刺或髂嵴穿刺获取人红骨髓干细胞。从10-15毫升胸骨抽吸液中分离干细胞，与其他细胞分离并进行培养。达到所需细胞数量后（通常在21-28天内），将其接种（定植）在基质上，并在营养培养基中静态培养（在37°C、5% CO2的湿化培养箱中培养7天）。随后，通过加热培养基（生物刺激）或在带有脉动流的再生装置（生物反应器）中创造组织生长所需的生理条件来刺激细胞生长。成纤维细胞对促进其生长和功能活动的机械刺激敏感。脉动流会导致径向和周向变形的增加，从而导致成纤维细胞沿这些应力方向定向（伸长）。这反过来又导致瓣膜形成定向纤维结构。恒定流只会在壁上产生切向应力。脉动流对细胞形态、增殖和细胞外基质的组成有有益的影响。培养基流动的性质、生物反应器中的物理化学条件（pH、pO2 和 pCO2）也会显著影响胶原蛋白的生成。因此，层流和周期性涡流可以增加胶原蛋白的生成，从而改善机械性能。
另一种培养组织结构的方法是在生物反应器中创造胚胎条件，而不是模拟人体的生理条件。基于干细胞培养的组织生物瓣具有可移动且灵活的瓣叶，在超过生理水平的高压和流量影响下仍能正常运作。对这些结构的瓣叶进行的组织学和组织化学研究表明，存在基质生物破坏及其被活组织取代的主动过程。该组织按层状排列，具有与天然组织相似的细胞外基质蛋白特征、I 型和 III 型胶原蛋白以及糖胺聚糖。然而，并未获得瓣叶的典型三层结构——心室层、海绵层和纤维层。在所有瓣叶中均发现表达波形蛋白的 ASMA 阳性细胞，其特征与肌成纤维细胞相似。电子显微镜显示细胞元素具有活的、分泌活性的肌成纤维细胞（肌动蛋白/肌球蛋白丝、胶原蛋白丝、弹性蛋白）和组织表面的内皮细胞的特征。
在瓣叶上检测到了I型、III型胶原蛋白、ASMA和波形蛋白。组织瓣叶和天然瓣叶的机械性能相当。组织人工心脏瓣膜在20周内表现出优异的性能，其微观结构、生化特征和蛋白质基质形成与天然解剖结构相似。
所有通过组织工程获得的人工心脏瓣膜均在动物体内以肺动脉位植入，因为其机械特性与主动脉位下的负荷不符。从动物体内取出的组织瓣膜结构与天然瓣膜接近，这表明它们在体内会进一步发育和重建。人工心脏瓣膜植入后，其组织重建和成熟的过程是否会像动物实验中观察到的那样，在生理条件下持续进行，有待进一步研究证实。
理想的人工心脏瓣膜应具有至少90%的孔隙率，因为这对细胞生长、营养输送和细胞代谢产物的清除至关重要。除了生物相容性和生物降解性外，人工心脏瓣膜还应具有有利于细胞接种的化学表面，并与天然组织的机械性能相匹配。基质的生物降解水平应可控，并与新组织的形成水平成比例，以确保其长期的机械稳定性。
目前，合成和生物基质正在开发中。用于制造基质的最常见生物材料是供体解剖结构、胶原蛋白和纤维蛋白。聚合物人工心脏瓣膜的设计目标是，一旦植入的细胞开始产生并组织自身的细胞外基质网络，它就会在植入后生物降解。新基质组织的形成可以通过生长因子、细胞因子或激素来调节或刺激。
捐赠人工心脏瓣膜
可利用从人或动物体内获取的供体人工心脏瓣膜作为基质，通过脱细胞处理去除细胞抗原以降低其免疫原性。细胞外基质中保存的蛋白质是随后接种细胞粘附的基础。存在以下几种去除细胞成分（脱细胞）的方法：冷冻、胰蛋白酶/EDTA处理、去垢剂（十二烷基硫酸钠、脱氧胆酸钠、Triton X-100、MEGA 10、TnBR CHAPS、Tween 20）以及多阶段酶处理方法。在这种情况下，细胞膜、核酸、脂质、细胞质结构和可溶性基质分子被去除，同时保留胶原蛋白和弹性蛋白。然而，尚未找到理想的方法。只有十二烷基硫酸钠（0.03-1%）或脱氧胆酸钠（0.5-2%）才能在处理24小时后完全去除细胞。
在动物实验（狗和猪）中，对取出的脱细胞生物瓣膜（同种异体和异种移植）进行组织学检查，结果显示部分内皮化，受体肌成纤维细胞长入瓣膜基底部，无钙化迹象。观察到中度炎症浸润。然而，在脱细胞SynerGraftTM瓣膜的临床试验中，出现了早期失效。在生物瓣膜基质中检测到了明显的炎症反应，该反应最初为非特异性的，并伴有淋巴细胞反应。在一年的时间里，生物瓣膜出现了功能障碍和退化。未观察到基质细胞定植，但检测到了瓣膜钙化和植入前细胞残留。
接种内皮细胞并在体内外培养的无细胞基质在瓣膜表面形成了一层致密的细胞层，而接种的天然结构间质细胞则表现出分化能力。然而，在生物反应器的动态条件下，细胞无法在基质上达到所需的生理水平，植入的人工心脏瓣膜由于细胞增殖加速和细胞外基质的形成而出现相当快速（三个月）的增厚。因此，在现阶段，利用供体无细胞基质进行细胞定植仍存在许多尚未解决的问题，包括免疫学和感染学问题；脱细胞生物假体的研发工作仍在继续。
值得注意的是，胶原蛋白也是用于生产可生物降解基质的潜在生物材料之一。它可以以泡沫、凝胶或板材、海绵以及纤维基坯料的形式使用。然而，胶原蛋白的使用存在许多技术难题。特别是，它很难从患者体内获取。因此，目前大多数胶原蛋白基质都来自动物。动物胶原蛋白的缓慢生物降解可能会增加人畜共患病感染的风险，并引发免疫和炎症反应。
纤维蛋白是另一种具有可控生物降解特性的生物材料。由于纤维蛋白凝胶可由患者血液制成，随后用于生产自体基质，因此植入此类结构不会引起其毒性降解和炎症反应。然而，纤维蛋白存在一些缺点，例如易扩散和渗入环境，且机械性能较差。
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由合成材料制成的人工心脏瓣膜
人工心脏瓣膜也由合成材料制成。一些制造瓣膜基质的尝试基于聚乳酸、聚乙醇酸 (PGA)、聚乳酸 (PLA)、PGA 和 PLA 共聚物 (PLGA) 以及聚羟基脂肪酸酯 (PHA)。高孔隙率的合成材料可以通过编织或非编织纤维以及盐浸技术获得。一种用于制造基质的有前景的复合材料 (PGA/P4HB) 是由涂有聚-4-羟基丁酸酯 (P4HB) 的非编织聚乙醇酸 (PGA) 环制成的。用这种材料制成的人工心脏瓣膜用环氧乙烷灭菌。然而，这些聚合物环的初始刚性和厚度较大，其快速且不受控制的降解会伴随酸性细胞毒性产物的释放，因此需要进一步研究并寻找其他材料。
利用自体肌成纤维细胞组织培养板，在支架上培养，通过刺激这些细胞的生成形成支持基质，可以获取被细胞外基质包裹的活性活细胞瓣膜样本。然而，这些瓣膜组织的机械性能仍然不足以支持其植入。
仅靠细胞和基质的结合可能无法达到瓣膜所需的增殖和组织再生水平。可以通过在基质和支架中添加生长因子、细胞因子或激素、促有丝分裂因子或粘附因子来调节或刺激细胞基因表达和组织形成。将这些调节因子引入基质生物材料的可能性正在研究中。总体而言，关于通过生化刺激调节组织瓣膜形成的研究严重缺乏。
无细胞猪异种肺生物假体Matrix P由脱细胞组织构成，该组织经AutoTissue GmbH公司专利技术处理，包括抗生素、脱氧胆酸钠和酒精处理。该处理方法经国际标准化组织（ISO）批准，可去除所有活细胞和细胞后结构（成纤维细胞、内皮细胞、细菌、病毒、真菌、支原体），保留细胞外基质的结构，将组织中的DNA和RNA水平降至最低，从而将猪内源性逆转录病毒（PERV）传播给人类的可能性降至零。Matrix P生物假体仅由胶原蛋白和弹性蛋白组成，并保留了完整的结构完整性。
在绵羊实验中，植入Matrix P生物瓣膜11个月后，周围组织反应极小，且存活率较高，这在其光滑的心内膜内表面尤为明显。几乎没有出现炎症反应、瓣叶增厚和缩短。Matrix P生物瓣膜的组织钙水平也较低，与戊二醛处理组相比，差异具有统计学意义。
Matrix P 人工心脏瓣膜在植入后数月内即可适应个体患者的情况。对照期结束时的检查显示细胞外基质完整且内皮融合。2002 年至 2004 年间，在 Ross 手术中为 50 名先天性缺陷患者植入的 Matrix R 异种移植物与冷冻保存和脱细胞的 SynerGraftMT 同种异体移植物以及戊二醛处理的无支架生物假体相比，性能更佳，跨瓣压力梯度更低。Matrix P 人工心脏瓣膜适用于先天性和后天性缺陷手术中右心室流出道重建期间的肺动脉瓣置换术以及 Ross 手术中的肺动脉瓣置换术。有 4 种尺寸（按内径）：新生儿用（15-17 毫米）、儿童用（18-21 毫米）、中等用（22-24 毫米）和成人用（25-28 毫米）。
组织工程瓣膜的研发进展将取决于瓣膜细胞生物学（包括基因表达和调控问题）、胚胎发生和年龄相关性瓣膜发育（包括血管生成和神经生成因素）的研究、对每个瓣膜生物力学的精确了解、用于接种的合适细胞的识别以及最佳基质的开发。进一步研发更先进的组织瓣膜，需要深入了解自体瓣膜的机械和结构特性与体外重建这些特性所需的刺激（生物和机械）之间的关系。