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人造心脏瓣膜植入绵羊体内后能继续生长 心脏缺陷儿童无需反复手术替换瓣膜

Emma Chou

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明尼苏达大学双子城分校科学与工程学院和医学院的研究人员领导的一项突破性新研究首次表明,实验室制造的心脏瓣膜植入幼龄羔羊一年后,在受者体内能够生长。与目前使用的动物源性瓣膜相比,这种瓣膜显示出钙化减少和血液流动功能改善。

如果在人类身上得到证实,这些新的心脏瓣膜可以防止每年出生的成千上万患先天性心脏缺陷的儿童反复进行瓣膜替换手术。这些瓣膜还可以保存至少6个月,这意味着它们可以为外科医生提供一个“现成”的治疗选择。

这项研究于3月17日发表在美国科学促进会(AAAS)的跨学科医学杂志《科学转化医学》上。明尼苏达大学创业公司Vascudyne, Inc. (静水,明尼苏达州) 也获得了瓣膜制造程序相关专利。

这项研究的高级研究员、明尼苏达大学生物医学工程系、化学工程和材料科学系的教授罗伯特·特兰奎洛(Robert Tranquillo)说:“这是小儿心脏研究的一大步。”“首次证明将瓣膜植入大型动物模型,在我们的案例中是一只羔羊,可以与动物一起成长到成年。”

目前,研究人员还没有能够开发出一种针对小儿患者能够生长并维持功能的心脏瓣膜。对于这些患有心脏缺陷的儿童来说,唯一可接受的选择是由经过化学处理的动物组织制成的瓣膜,这些瓣膜通常会因钙化而功能失调,而它们不会随着孩子一起生长因此需要更换。这些孩子通常需要忍受多达五次(或更多)的心脏手术,直到成年后将机械瓣膜植入心脏,此外余生需服用血液稀释剂。 

在新研究中,特兰奎洛和同事们使用了组织工程和再生医学来制造不断生长的心脏瓣膜。在8周的时间里,他们使用了一种专门的组织工程技术,这种技术可以在实验室里用产后供者的皮肤细胞生成类似血管的管状器官。为了开发这种管状器官,研究人员将捐赠的绵羊皮肤细胞放入一种名为纤维蛋白的明胶样材料中,制成管状器官,然后使用生物反应器提供细胞生长所需的营养物质。

然后,研究人员用特殊的洗涤剂将所有的绵羊细胞从类似组织的管状器官中洗掉,留下的是无细胞的胶原基质,植入后不会引起免疫反应。这意味着管状器官可以储存和植入,而不需要使用受体细胞进行定制生长。

下一步是精确地将三个管状器官(直径约16毫米)缝成一个闭合的环。然后,研究人员将它们稍作修剪,形成瓣叶,以复制直径约19毫米的心脏瓣膜的结构。

“在这些最初的步骤之后,它看起来像一个心脏瓣膜,但问题是它是否能像心脏瓣膜一样工作,它是否能生长,”特兰奎洛说。“我们的研究结果证实了这两点。”

向三只羔羊的肺动脉中植入第二代三管瓣膜。52周后,瓣膜再生,其基质由受体羔羊细胞填充,直径从19 mm增加到生理正常瓣膜约25 mm。研究人员还发现,超声图像测量的瓣叶长度增加了17%-34%。此外,研究人员还发现,三管瓣膜比现有的动物瓣膜工作得更好,几乎没有钙化或血液凝固现象,而其他瓣膜在移植到同龄的羔羊身上后显示出来。

如果有一天这些瓣膜能批准用于儿童,将对患有心脏缺陷的儿童和家庭产生巨大影响,他们将无需应对多次手术带来的巨大压力,有可能将这些孩子需要接受的手术次数从5次减少到1次。

译/前瞻经济学人APP资讯组

参考资料:

https://medicalxpress.com/news/2021-03-lab-created-heart-valves-recipient.html

https://stm.sciencemag.org/content/13/585/eabb7225


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