小口径组织工程血管将诞生 与天然血管相似 廉价制备快！

墨尔本大学的研究人员创造了一种快速、经济、可扩展的从自然组织中构建血管的技术。

这种融合了多种材料和技术的创新方法，使血管与天然血管相似，为心血管疾病的治疗提供了一种有前景的解决方案。

该团队由 ARC 未来研究员 Daniel Heath 和 Redmond Barry 杰出教授 Andrea O’connor (他是前沿医学解决方案的 Shanahan 主席) 领导，他们使用了一种创新的“组织工程”血管方法。

通过结合多种材料和制造技术，他们开发了一种方法来创建具有复杂几何形状的血管，比如原生血管。

这项研究发表在 7 月 13 日的《ACS 应用材料与界面》（ACS Applied Materials and Interfaces）杂志上。墨尔本大学的 Tao Huang（黄涛，音译）博士和博士候选人 Mathew Mail 和 Hazem Alkazemi，以及莫纳什大学的副教授  Zerina Tomkins 也在研究团队中。

该研究论文文题为：Spontaneous Orthogonal Alignment of Smooth Muscle Cells and Endothelial Cells Captures Native Blood Vessel Morphology in Tissue-Engineered Vascular Grafts（组织工程血管移植物中平滑肌细胞和内皮细胞的自发正交排列捕获了天然血管形态）

血管在维持生命方面发挥着重要作用，它将富含氧气的血液和必需的营养物质运送到身体的各个部位，同时清除有毒物质。另一方面，血管疾病和功能障碍可能导致危及生命的疾病，如心脏病发作、中风和动脉瘤，使心血管疾病成为全球头号杀手。

研究者指出：

世界各地的研究人员多年来一直在努力完善血管组织工程。

目前的方法很缓慢，需要像生物反应器这样的专门且昂贵的设备，而且通量低——这意味着很难提供所需的工程血管。

通过结合多种材料和制造技术，我们的方法使我们更接近未来，工程血管将成为心血管疾病的变革性解决方案，特别是那些缺乏合适供体血管的患者。

虽然旁路手术已被证明是替代严重受损血管的一种挽救生命的替代方法，但它有局限性，尤其是对于冠状动脉等直径较小的血管。非生物合成移植物可引起凝血和阻塞，使其在某些情况下不适合。因此，因既往手术或糖尿病等合并症而选择有限的患者面临重大问题。

为了克服这些局限性，研究人员研究了开发由人类细胞和组织制成的“组织工程”血管。这些制造的血管有可能治疗心血管疾病，以及为更大的组织创造构建内置的血液供应。

研究者指出：

这项研究是科学家在改造人类血管方面迈出的令人兴奋的一步。

我们现在能够使用具有适当机械性能的活组织，并模拟血管最内层的细胞方向，快速、廉价地制造血管。

虽然工程血管还没有准备好进行旁路手术，但这一发现标志着组织工程领域的重大进步。

原文图 1. TEVGs 的制备。

原文图 4. FIA 治疗增加 ECs 排列。

原文图 7. PCL 对 SMC 排列的影响。

附：研究背景信息

心血管疾病是全球死亡的主要原因。动脉疾病是这一医疗负担的重要组成部分。严重闭塞的血管常需要搭桥手术。目前，合成桥血管不适合用于小血管 (6 mm) 的搭桥手术，例如冠状动脉，因为它们会因血栓形成而闭塞。外科医生使用自体移植，如大隐静脉和乳内动脉。

然而，由于供体血管供应有限，需要额外的手术部位，且部分患者因既往手术或合并症无法提供合适的供体血管，这是一种不太理想的策略。构建小直径组织工程血管 (TEVG) 将显著促进小直径动脉疾病 (如冠心病) 的治疗。

天然血管是复杂的多层结构。最内层是内膜，由单层轴向排列的内皮细胞 (ECs) 组成，通常称为内皮细胞。中层，即中膜，由多层环向排列的收缩平滑肌细胞 (SMCs) 组成。内皮细胞和平滑肌细胞排列对适当的血管功能至关重要。例如，内皮细胞的排列对其动脉粥样硬化保护特性和屏障功能是必需的。

同样，收缩的血管平滑肌细胞的环向排列是维持稳态和血管张力所必需的，而血管平滑肌细胞功能障碍与高血压和动脉粥样硬化等疾病状态相关。

临床成功的 TEVG 应具有合适的力学性能，包括缝线保留强度、模量、极限拉伸强度和爆裂压力，以使植入成功并防止因断裂而失败。此外，移植物应迅速和自发地促进内皮细胞和平滑肌细胞的仿生排列，从而使新生血管在降解支架时具有适当的性能。尽管需要在 TEVG 内进行仿生细胞排列，但在体外系统中再现组织龛仍然难以实现。

虽然以前已经制作了多层 TEVG，但 ECs 排列通常需要昂贵的设备，如搏动流生物反应器和漫长的处理时间。此外，实现多层血管平滑肌细胞的圆周排列仍然具有挑战性。仿生 TEVG 的制造迫切需要新技术，特别是那些低成本、可获得的，并使用已建立的生物材料来促进临床转化和规模化生产的技术。

静电纺丝是一种广泛应用的制备 TEVG 的方法，其力学性能与天然血管相当。尽管如此，电纺结构通常无法实现模拟中膜所需的细胞 3D 生长。为了制造一个能够在保持机械稳定性的情况下进行 3D 组织培养的 TEVG，上述研究团队结合了静电纺丝和水凝胶铸造。一些研究表明，细胞排列与底层纤维的方向呈正相关。

因此，他们假设诱导电纺纤维的轴向排列将促进 TEVG 管腔上的 ECs 排列。然而，静电纺丝后聚己内酯( PCL) 纤维随机排列。

因此，他们开发了一种简单的冷冻诱导排列 (FIA) 技术，以轴向排列静电纺 PCL 纤维，从而引导种植在其上的 ECs 排列。他们进一步假设，通过控制植入 SMC 的水凝胶的刚度，可以实现 SMC 的圆周对齐。两种假设均在本研究中得到证实。相比之下，之前的研究只能使用昂贵的专业设备在数周内获得类似结果，这进一步凸显了他们这种低成本且可获得的方法的重要性。

这项工作代表了一个重大进展，使廉价和快速制备可转化的 TEVG 成为可能；开发两种新技术，使关键细胞类型的自发和快速仿生排列成为可能，同时也提供了对血管 SMCs 力学生物学的见解。