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          3D打印生物可吸收血管支架促進血管重塑

          欄目:學術論文 發布時間:2022-01-10

          導讀

                 生物可吸收血管支架(BRS)作為治療動脈粥樣硬化的新一代血管植入物,被設計為一種臨時支架,隨著時間的推移會被血管吸收。目前, BRS降解時血管的生物學和力學反應的數據尚不充分。因此,有必要對其降解的拐點、血管的生理反應過程進行研究。本研究中將3D打印聚左旋乳酸血管支架(PLS) 植入大鼠腹主動脈。PLS植入主動脈后經歷了兩個不同的生物反應過程:(1)在植入1個月后,PLS表面覆蓋了具有良好屏障功能的新生內膜,并伴有PLS緩慢降解、血管炎癥和血管內膜增生;(2)在植入6個月后PLS出現明顯降解,血管炎癥反應減輕,內膜增生減少,細胞外基質成分恢復到正常血管成分,表現為正性重構。這些動物體內試驗結果表明,6個月是一個關鍵的轉折點。這種兩階段降解和血管功能恢復的提出,闡明了PLS對血管修復的促進作用,并證明了PLS在促進內皮功能和血管正性重塑方面的潛力,突顯了采用PLS的益處,并為未來的研究提供了一些啟示。

          動脈粥樣硬化(AS)是威脅人類健康的主要心血管疾病。目前,植入藥物洗脫支架(DES)通過擴張因動脈粥樣硬化病變而變窄的動脈管腔是最有效的治療方法。然而,DES植入有幾個缺點,包括出現晚期支架內血栓,新生動脈粥樣硬化,以及由于上述支架作為永久性異物的引入而引起的長期局部炎癥反應。為了克服這些缺陷,生物可吸收支架(BRS)已經被開發出來并應用于臨床治療。

          目前,用聚左旋乳酸(PLLA)制備的BRS支架在臨床前動物研究以及一些短期和中期臨床試驗中均顯示出良好的效果。這些研究表明,生物可吸收血管支架與藥物洗脫金屬支架具有相似的治療效果,且不會在2-5年內出現不良反應。一些動物研究和臨床試驗已經檢測了血管對BRS降解的反應。但是,支架降解的精確時間點仍未確定。因此,研究血管變化隨支架生物降解的時間進程是非常重要的。

          重慶大學生物工程學院血管植入物開發國家地方聯合工程實驗室的王貴學教授和尹鐵英副教授團隊聯合北京安貞醫院及北京阿邁特醫療器械有限公司,對不載藥的3D打印聚左旋乳酸血管支架(PLS)在植入后的降解行為進行詳細研究,如圖1。本研究將PLS植入SD (Sprague Dawley)大鼠腹主動脈,評估植入后不同時間內的血管內皮功能,同時檢測腹主動脈血管重構。3D打印PLS植入SD大鼠腹主動脈后新生內膜再內皮化的屏障功能迅速恢復。新生內皮在1個月時即表現出良好的屏障功能,顯著高于對照裸金屬支架(BMS)。免疫熒光染色也提示血管內膜緊密連接蛋白在3D打印PLS植入后表達量逐漸上調,意味著以內膜屏障功能為代表的血管內膜功能逐漸恢復。相關研究結果以論文形式(Two-stage degradation and novel functional endothelium characteristics of a 3-D printed bioresorbable scaffold 10 (2022):378–396)發表在國際著名學術期刊Bioactive Materials上(影響因子14.593)。

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          1. 在可降解支架植入后的指定時間點應用的實驗和相應時間點的重要事件

           

          在PLS植入SD大鼠腹主動脈1周后,發現約20%的PLLA支架桿被新生內膜覆蓋。此外,植入后1個月和3個月,新生內膜覆蓋率分別增加到約80%和100%。1個月、6個月和12個月后,發現內皮細胞(ECs)通常沿著血流方向呈“鵝卵石狀”。此外,PLS植入物覆蓋近端和遠端節段的內皮細胞比BMS植入物更有序,表明內皮功能逐漸恢復。這些結果表明PLS植入物可以促進新生內膜的形成和再內皮化,見圖2A。

          完整的內皮屏障保護血管內膜免受血栓形成、炎癥和動脈粥樣硬化的影響。支架植入1周時,伊文思藍染色在血管內壁可見明顯染色,隨著時間的推移,內皮細胞從陽性轉變為陰性染色,表明PLS植入后內皮屏障功能已經恢復正常。BMS中內皮細胞的伊文思藍染色陽性率較高,表明其新生內膜屏障功能較差,其β-catenin 蛋白(內皮細胞中負責細胞粘附和細胞聯接的蛋白,可反映細胞-細胞間聯接的完整性)的Enface免疫熒光(小鼠單抗 VE-CAD)染色較少。這兩種染色均能反映內皮細胞的屏障功能。植入1個月后,PLS支架桿周圍的VE-CAD表達遠高于BMS支架桿周圍的VE-CAD表達。此外,研究還發現VE-CAD主要定位于動脈內皮細胞的細胞質中,而β-catenin則定位于PLS植入后的細胞膜上。PLS支架桿周圍新生內膜中均可見完整的VE-CAD (紅色) and β-catenin (綠色)表達,但在BMS支架桿周圍的新生內膜中僅有β-catenin(綠色)表達。 進一步檢測PLS植入后新生內膜中的細胞連接和血栓相關蛋白,發現相鄰內皮細胞之間存在離散邊界。這些結果表明,與BMS相比,PLS植入可促進內皮屏障功能的恢復,這可能確保新內膜的抗炎和抗血栓作用,見圖2E,F,G。

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          圖2. PLS植入后新生內膜的再內皮化和內皮屏障功能的恢復。(A) 掃描電鏡圖像顯示PLS和BMS植入腹主動脈后再上皮化。3個月后完成再上皮化。藍色和綠色框分別表示支架和支架附近的近端和遠端節段。黑框表示每個時間點的放大圖像。紅色實線圓圈表示支架桿斷裂,而紅色虛線圓圈表示新生內膜中鵝卵石樣內皮細胞。黃色框表示無新生內膜的外露支架桿。(B) 1周和1個月時未覆蓋支架桿(紅色區域)。(C) C1,PLS植入后內皮覆蓋的定量分析(n=3);C2,定量分析和比較PLS或BMS植入1個月、6個月和12個月后的內皮覆蓋率(n=3)。(D) (E)植入PLS和BMS后1個月伊文思藍染色、VE-CAD和β-catenin的分布和SEM(n≥ 3) ,黑色圓圈和箭頭表示埃文斯藍的沉積物。(F) 和(G),免疫熒光染色和定量分析新生內膜中細胞連接和血栓相關蛋白的熒光。

           

          在植入PLS或BMS后12個月時,通過光學相干斷層掃描(OCT)評估植入部位近段、遠段和中段腹主動脈的管腔區域。研究發現,PLS植入后血管段的管腔面積大于BMS植入后的管腔面積。

          總之,本研究表明,BRS植入大鼠腹主動脈后的血管修復涉及兩個過程,“0-6個月”(以炎癥、新生內膜增生和內皮細胞屏障功能恢復為特征)和“6個月后”(以支架降解和血管正性重塑為特征),與血管損傷后的重塑過程相似。盡管血管在整個過程中經歷了復雜的反應,但它們在6個月后恢復了正常狀態。此外,研究結果表明,血管修復與重塑伴隨著BRS的降解和內皮屏障功能恢復,并且在12個月內完成了血管正性重塑,見圖3。而BMS植入后血管不能進入第二階段重塑。

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          3. 可降解支架降解誘導血管修復的兩階段重構過程

          北京阿邁特公司是世界上領先的利用3D精密打印技術進行完全可吸收血管支架研發和生產的公司,公司擁有3D多軸精密打印專利技術和完全的自主知識產權。阿邁特AMsorb?冠脈支架的隨機對照臨床試驗及阿邁特Perisorb外周支架的FIM試驗均正在中國進行中。


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