为血液“架桥”——小口径人工血管研发获突破性进展

来源:科普中国 发布时间:2024年05月06日 作者:国科普博览

随着人们生活水平的提高,烟酒、熬夜、少动等不健康的生活方式也渐渐在国民日常生活中蔓延开来。这种趋势的后果之一,就是我国公民心血管病发病率持续增高。

来自《中国心血管健康与疾病报告2020》的数据表明,中国心血管病死亡占城乡居民总死亡原因的首位。《2021年中国心血管病医疗质量报告》也明确指出,心血管疾病是当前我国居民的首要死因。

图片来源:veer图库

在心血管疾病的治疗中,人工血管是一种重要的医疗器械。对于严重心血管疾病,血管移植往往是最有效的治疗手段。通过将病变血管替换为人工血管,可以确保人体血液循环的需求。

日前,中国科学院理化技术研究所和首都医科大学附属北京安贞医院通力合作,联合应用抗凝血因子药物和抗血小板药物,通过赋予小口径血管一种“双重抗凝血效应”,开发了能够有效抵抗急性血栓的小口径人工血管。

那么,为什么小口径的人工血管特别受关注,其研发难点如何,本次的研发工作取得了什么样的进展呢?就让我们一起来了解一下吧。

人工血管,“小”有“小”的难处

人体中最粗的血管,例如主动脉,直径可达30多毫米;而最细的毛细血管,直径只有百分之一毫米,粗细相差上千倍。因此,为了代替人体的血管,我们需要研发出不同直径的人工血管。

一般将直径小于6毫米的人工血管分类为小口径人工血管,而直径大于6毫米的则为大口径人工血管。

目前,由于难以避免的血栓形成、内膜增生等问题,小口径人工血管的长期通畅率很低,因此迫切需要开发一种可供临床应用的小口径血管。探究小口径血管移植失败的原因,主要有以下几个方面:

一是小血管内血液流速较缓慢,血液停留时间长,血液中的血小板就有足够的时间聚集在人工血管这一“非人体”材料的表面,引发凝血反应,从而导致移植初期急性血栓的发生。

二是由于内膜不完整、炎症发生等因素,导致平滑肌细胞容易过度增殖,出现内膜增生,从而导致小血管长期植入时再次出现狭窄。

三是受限于制备材料与吻合技术等,人工血管与天然血管之间往往出现顺应性不匹配的问题,也容易导致内膜增生,管腔内再狭窄等问题的发生。

相比之下,大血管的血液流量高,血液流速快,血液有较强的冲刷作用,因此更加不容易凝血;其次,大血管的管腔宽,局部的血栓与内膜增生对其影响小,而这对小血管来说却是致命的。

小口径人工血管的临床应用面临着诸多挑战,而在本次中国科学院理化技术研究所和北京安贞医院的合作研究中,科学家们主要针对如何防止移植初期急性血栓发生的问题,展开了新型小口径人工血管的研发工作。

肝素+阿司匹林,双效抗凝

我们知道,凝血的作用本意是为了将破裂的血管堵住,让我们不至于因为一点伤口就流血不止。凝血的机理比较复杂,简单地概括来说,就是由血小板参与激活纤维蛋白原形成纤维蛋白网,纤维蛋白网作为“钢筋”,填充红细胞这些“混凝土”,快速砌一堵墙来堵住漏洞。

但是在接触人工血管这一非生物物体时,也会触发血液的凝血机制,于是在人工血管内部就因为凝血而长出了血栓,导致移植失败。

既然血栓的形成依赖纤维蛋白和血小板,那么科研团队就试图阻止这两类物质在人工血管中的出现,从这个角度出发,来研制新型的人工血管。

一方面,人们已经知道,在多种凝血因子的共同作用下,血液中的纤维蛋白原被转化成纤维蛋白。而肝素是一种能够有效对抗凝血因子的物质,因此也常用于预防血栓形成,或者增加孕期的子宫供血。

另一方面,血小板的聚集也是血栓形成的重要前提之一,而阿司匹林这种历史悠久的药物,具备很好的抗血小板作用,可以阻止血小板发挥功能,从而阻止血栓的发生。

那么,将肝素和阿司匹林接合起来,嵌入人工血管中,是不是就可以阻止血栓的发生,从而提升小口径人工血管的移植成功率呢?按照这一思路,科研团队进行了一系列的研究。

PCL/PU-HepA血管支架的制备与功能示意图(图片来源:作者提供)

首先,科学家选择了聚己内酯(PCL)和聚氨酯(PU)复合材料作为新型人工血管的构建材料。通过精确调控两者复合的比例,可以对人工血管的力学性能进行调控。

其次,在向人工血管中引入肝素和阿司匹林时,科学家经过对实验条件的多轮尝试,最终找到了在温和条件下缓慢反应制备了肝素-阿司匹林复合物的方法。

这样一来,可以把小分子的阿司匹林挂在到大分子的肝素上,从而实现一次性在人工血管上引入两种药物,从而发挥更强效的抗凝血功能。

结语

于是,一种新型的小口径人工血管问世了。这款人工血管支架材料主要通过静电纺丝制备,制备技术比较成熟。肝素-阿司匹林复合物的合成与接枝也比较容易实现。

受限于静电纺丝的生产效率以及有机合成反应的局限性,该人工血管目前仍处于实验室研发阶段。但在科学探索过程中,从“0”到“1”的实现,往往比从“1”到“100”更重要、更基础。相信在不久的将来,随着这一新技术的进一步完善和生产效率的提升,新型小口径人工血管将会在人类与心血管疾病的斗争中发挥更大的作用。

作者:李雷 周思远 吴大勇 杨秀滨

作者单位:中国科学院理化技术研究所 首都医科大学附属北京安贞医院