免疫介导的细胞外基质血管移植物在绵羊模型中的再生：H2R5功能化血管移植物的突破
《npj Regenerative Medicine》：Immune-mediated regeneration of cell-free vascular grafts in an ovine model
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时间：2025年03月20日
来源：npj Regenerative Medicine 6.4
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本研究针对心血管疾病（CVD）导致的血管损伤问题，开发了一种新型的无细胞组织工程血管（ATEV），通过在绵羊模型中植入，展示了其高初始通畅率和血管再生能力，为血管组织工程领域带来了新的希望。
心血管疾病（CVD）是全球主要的死亡原因之一，其导致的血管损伤和阻塞常常需要通过手术植入血管移植物来修复。然而，目前常用的自体血管移植物存在来源有限、供体部位并发症以及长期通畅性不佳等问题。为了克服这些挑战，组织工程方法应运而生，但传统的组织工程血管（TEV）往往需要使用自体细胞，并且需要数周甚至数月的细胞扩增、组织生长和机械预处理，这限制了其临床应用。因此，开发无细胞的组织工程血管（ATEV）成为了一个重要的研究方向。然而，ATEV在植入后更容易发生急性血栓形成，因为缺乏内皮细胞（ECs）。因此，如何促进ATEV的自我内皮化和抗阻塞性能成为了研究的关键。
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美国纽约州立大学布法罗分校的研究人员开展了一项创新性研究，旨在开发一种新型的无细胞组织工程血管（ATEV），通过在绵羊模型中进行植入实验，研究其在体内环境中的再生能力和血管功能恢复情况。研究团队通过将一种名为H2R5的新型蛋白与肝素结合，固定在小肠黏膜下层（SIS）制成的血管移植物上，成功实现了血管移植物的高初始通畅率和快速血管再生。该研究结果发表在《npj Regenerative Medicine》上，为血管再生医学领域带来了新的突破。
研究人员采用了多种关键技术方法来开展研究。首先，他们利用单细胞测序（scRNA-seq）技术分析了植入后血管移植物中细胞的类型和基因表达特征，揭示了血管再生过程中的细胞动态变化。其次，通过免疫组织化学染色和扫描电子显微镜（SEM）观察了血管移植物的组织结构和细胞分布情况。此外，还对血管移植物的机械性能和血管收缩功能进行了评估，以确定其是否能够恢复正常的血管功能。
研究背景与问题
心血管疾病（CVD）是全球主要的死亡原因之一，每年导致约1790万人死亡。CVD常常导致血管损伤或阻塞，需要通过手术植入血管移植物来修复。目前，自体血管如大隐静脉、桡动脉和内乳动脉被认为是血管移植物的金标准，但由于约30%的患者缺乏合适的自体血管，且自体血管供体部位并发症多，长期通畅性不佳，因此迫切需要开发替代的血管移植物策略。组织工程方法通过使用天然或合成支架来开发功能性血管移植物，但这些方法通常需要使用自体细胞，并且需要数周甚至数月的细胞扩增、组织生长和机械预处理，限制了其临床应用。因此，开发无细胞的组织工程血管（ATEV）成为了研究的热点。然而，ATEV在植入后更容易发生急性血栓形成，因为缺乏内皮细胞（ECs）。因此，如何促进ATEV的自我内皮化和抗阻塞性能成为了研究的关键。
研究方法
研究人员开发了一种新型的无细胞组织工程血管（ATEV），通过将一种名为H2R5的新型蛋白与肝素结合，固定在小肠黏膜下层（SIS）制成的血管移植物上。H2R5蛋白由两个结构域组成：（i）纤维连接蛋白的第二个肝素结合域（H2）；（ii）五个串联重复的柔性连接肽（GGGS）和来自纤维连接蛋白CS-5区域的肽段（R5），该肽段能够特异性结合整合素α4β1。研究人员将这种H2R5功能化的ATEV植入绵羊的颈动脉中，通过单细胞测序（scRNA-seq）技术分析了植入后血管移植物中细胞的类型和基因表达特征，揭示了血管再生过程中的细胞动态变化。此外，研究人员还通过免疫组织化学染色和扫描电子显微镜（SEM）观察了血管移植物的组织结构和细胞分布情况，并对血管移植物的机械性能和血管收缩功能进行了评估。
研究结果
研究人员发现，H2R5功能化的ATEV在绵羊模型中植入后，展示了高初始通畅率（约77%），并且在植入后的3个月内，血管移植物被宿主细胞浸润，其中大部分是单核细胞/巨噬细胞（MC/MΦ）。通过单细胞测序（scRNA-seq）分析，研究人员发现血管移植物中主要的细胞类型包括巨噬细胞（MΦ）、内皮细胞（EC）和平滑肌细胞（SMC），并且这些细胞表达了与血管再生相关的基因，如细胞黏附、细胞迁移、细胞分化和组织重塑等。研究人员还发现，血管移植物中的巨噬细胞主要表现为促血管生成的M2型巨噬细胞，这表明巨噬细胞的表型可能在血管再生中起到了重要作用。此外，研究人员通过免疫组织化学染色观察到，血管移植物的内层被一层连续的内皮细胞（EC）覆盖，这些细胞表达了内皮细胞特异性标记物eNOS和VE-cadherin，并且这些内皮细胞还共表达了巨噬细胞标记物CD14和M2型巨噬细胞标记物CD206。这表明单核细胞/巨噬细胞可能分化成了内皮细胞，从而促进了血管移植物的内皮化。在血管移植物的中层，研究人员发现了表达平滑肌细胞标记物α-SMA和CNN1的细胞，并且这些细胞也共表达了巨噬细胞标记物CD14。这表明单核细胞/巨噬细胞可能分化成了平滑肌细胞，从而促进了血管移植物的血管壁形成。通过三色染色和Picrosirius红染色，研究人员发现血管移植物中存在胶原蛋白沉积，并且随着时间的推移，胶原蛋白纤维变得更加密集和有序。通过Verhoeff染色，研究人员发现血管移植物中的弹性纤维在植入后的12周内有所增加，但仍然不如天然动脉。通过Von Kossa染色，研究人员没有发现血管移植物中存在钙化现象。最后，研究人员通过机械性能测试发现，血管移植物的杨氏模量（YM）和极限抗拉强度（UTS）在植入后的12周内逐渐降低，接近天然动脉的水平。通过血管收缩功能测试，研究人员发现血管移植物在植入后的6周内对血管收缩剂（如U46619、内皮素-1和KCl）产生了收缩反应，并且在添加ROCK抑制剂Y27632后能够放松，这表明血管移植物已经发展出了血管收缩功能。
研究结论与讨论
本研究首次在大型动物模型中报告了无细胞血管移植物中浸润细胞的分子特征。研究人员发现，H2R5功能化的ATEV能够促进单核细胞/巨噬细胞的浸润，并且这些细胞能够分化成内皮细胞和平滑肌细胞，从而促进了血管移植物的内皮化和血管壁形成。此外，研究人员还发现血管移植物在植入后的短时间内就能够发展出血管收缩功能，并且其机械性能逐渐恢复到接近天然动脉的水平。这些结果表明，H2R5功能化的ATEV具有良好的血管再生能力和临床应用前景。未来的研究需要进一步探索如何优化H2R5蛋白的设计和应用，以提高血管移植物的长期通畅率和功能恢复。此外，研究人员还指出，调节炎症反应可能是血管移植物再生和其他生物工程组织的关键策略。
