原弹力蛋白先驱安东尼·魏斯团队研发人造血管，兼具高生物相容性和无生物毒性，或促进形成血管弹性纤维板

近日，原弹力蛋白领域的先驱人物、悉尼大学生命科学系教授 安东尼·S·魏斯 （Anthony S. Weiss）团队， 研发出一款人造血管。除能用于冠心病之外，对于许多血管相关的疾病，它都能发挥作用。

图 | 安东尼·S·魏斯（Anthony S. Weiss）（来源：维基百科）

比如，该团队的合作方美国阿比盖尔·韦克斯纳研究所非常关注儿童异常血管类疾病。一般情况下，处理儿童异常血管时需要使用人工血管。但是，由于现有的人工血管无法再生。随着儿童的成长，血管也会变大，这时医生必须重新做手术。而此次设计的人工血管可以再生，有望随着儿童成长而生长。

（来源： Advanced Materials ）

降解过程中不会产生任何毒性

来自该团队的华人成员王子钰博士，是此次研究的主要参与者。其表示，《中国心血管健康与疾病报告 2021》中指出，中国现有冠心病患者有 1139 万人。

冠心病是由于动脉粥样硬化导致管腔变得狭窄，致使心肌供血不足而引发的一系列临床病症，比如心律失常、心力衰竭、和心绞痛，严重时会导致心肌梗死。

重度冠心病往往需要手术干预，包括支架或者搭桥。最近有研究显示，当冠心病患者处于中期阶段以及更长远的阶段时，搭桥手术的效果要好于放置支架。

通常情况下，患者自体的血管比如大隐静脉、桡动脉和内乳动脉，都可用于搭桥手术。然而，一些患者的自体血管也会存在病理问题，这时就需要人工血管作为替代品上阵。

人工血管一般由尼龙、涤纶、聚四氟乙稀等合成材料组成，当要被替换的人体血管情况下较粗时，人工血管的使用效果非常理想。

但是，冠状动脉管径都非常细小，直径一般只有 4mm 左右。当把现有人工血管用于冠状动脉搭桥时，经常会发生阻塞，因此并不是理想的临床替代品。

为了填补这一空白，全球多个实验室都在使用不同结构的生物材料，去制备人造血管。然而，这些再生血管多数都是一个整体，不具备层次分明的特征，也不具备天然血管的结构。

天然血管一般由内膜、中膜、和外膜构成。每一层的细胞和细胞外基质成分又都不一样。

基于这一问题，该团队开展了本次研究，在可降解生物材料的辅助下，其发现在制备人工血管时，并不需要特别的结构比如微米孔、或者纳米孔。

图 | 王子钰（来源：王子钰）

在冠心病患者初期，只需无孔人工血管就能有效隔离不同层的细胞，并在免疫细胞的辅助下，让细胞在指定的地方增殖以及生产细胞外基质，这样就形成了一个从外膜细胞、到人工血管、再到内中膜细胞的“三明治”结构。

随着人工血管的降解，新形成的外膜层和内中膜层一旦相遇，就能形成和天然血管一样的结构。“让我们更惊喜的发现是，再生血管的中膜层中形成了很多弹性纤维板，这是前所未有的。”研究人员表示。

在天然血管中，弹性纤维板和平滑肌细胞是层层交互排列的，它们共同帮助血管收缩和舒张。而此前的再生血管，顶多只能产生无定形弹性蛋白，其弹性纤维板是由弹性蛋白紧密相连排列成的结构，需要特定的平滑肌细胞排列才可以产生。

而在该研究中，课题组使用了如下两种材料: 聚甘油癸二酸酯和重组原弹力蛋白。其中，聚甘油癸二酸酯是由人体中本身就存在的两种分子合成的，在降解过程中不会产生任何毒性。

接着，研究团队加入了重组原弹力蛋白。在天然血管的形成中，原弹力蛋白是形成弹力蛋白和弹性纤维板的关键。“我们认为加入的重组弹力蛋白促进了再生血管弹性纤维板的形成，但这需要更多的研究来确认。”课题组说。

近日，相关论文以《内含弹性纤维板的快速再生型人工血管》（Rapid Regeneration of a Neoartery with Elastic Lamellae）为题发表在 Advanced Materials 上 [1]。王子钰是第一作者，安东尼·S·魏斯教授担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）

老文献的新启发

据介绍，在刚开始定下课题时，作为此次研究主力的王子钰，花费很长时间去研究人工血管的制备方式、以及课题新颖程度。

他说：“读了大量文献之后我发现，早在 2007 年的时候，血管组织工程学家就指出了弹力蛋白在再生血管中的重要性，包括对于血管机械性能的贡献、以及对血管中不同细胞的生物调节作用。”

但是，在对比人工血管、再生血管、和天然血管的工程之后，王子钰发现由弹力蛋白组成的弹性纤维板，才是助力再生血管产生长效功能的重要结构。然而，现有研究中没有任何人工血管能够再生弹性纤维板。

另外，他还发现没有任何人工血管，能在再生过程中重现天然血管的外膜、和内膜结构。介于此，他制定如下两个目标：

首先是选择人工血管的结构，到底选择有孔的、还是无孔的？一番研究之后，他打算选择无孔的。

对此他表示：“启发我最深的是一篇 1995 年的论文，它讲到弹性纤维板是如何在血管中形成（老文献也是非常有用的哦）。”

在那篇论文中，研究人员把血管平滑肌细胞排列成一层一层的，然后把它们生产的弹力蛋白放置于每层中间，接着通过积累链接形成弹力纤维板。

“我就突然想到，很多有孔的人工血管，它们确实鼓励细胞从小孔进入，但是细胞进去了就会杂乱无章。哪怕它们生产了弹力蛋白，这些弹力蛋白也无法链接到一起去，那么还不如选择无孔。”王子钰说。

如果选择无孔的，这些平滑肌细胞会移动人工血管的内壁，自然就会积累成层，那么在产生弹性纤维板的结构上，就会具备更大的可能。

确定这一点之后，课题组开始奔向第二个目标——选择材料。

在该团队此前一项非血管细胞的实验中，他们发现添加原弹性蛋白可以调动细胞产生更多的弹力蛋白，并且这一效果对于不同年龄的细胞都有作用。

这让王子钰推测，原弹性蛋白很有可能也会对血管平滑肌细胞起作用，于是他选择原弹性蛋白作为主要材料之一。

“另外让我担心的是：如果平滑肌细胞过度地在人工血管内壁积累增值，也是有可能堵住人工血管的。但因为之前我们组里有过研究，发现原弹力蛋白可以阻止平滑肌细胞过度增殖，这让我增加了使用无孔结构的信心。”他说。

而所使用的另一种材料聚甘油癸二酸酯，则能从血管表面逐步降解，兼具高生物相容性和无生物毒性的优势。

基于此该团队认为，在合理的情况下，即使平滑肌细胞在管腔内壁积累和增殖，但是随着聚甘油癸二酸酯的降解，也就不再是个问题。

事实上，在寻找制备方法和两种材料的比例上，一开始绕了不少弯路。再加上王子钰之前没有做细胞实验的经历，而该研究又要在制备好的材料上培养细胞，对他来说确实比较困难。

为此，仅是优化实验方案就做了五六次左右，然后才开始做正式实验。后来，为了观察细胞在材料上的基因表达，前期优化实验也做了七八次。

王子钰表示：“很多时候实验优化真的非常重要。你觉得可能需要几周的实验，期间会出现你之前想不到的问题，那就可能拖到一俩月。但是在这过程中，我的两位导师都是很耐心地指导，从来没有任何批评。这对于我之后自己带学生也很有帮助。”

而在小鼠内种植人工血管，需要快且精确的微型手术技巧。但是，由于时间关系以及新冠疫情，王子钰没办法自己上手。

“虽然我非常非常想上手，后来自己也学习了一些缝合技术，但是实在做不了这个血管。很庆幸的是，老师帮我找到了合作方 Dr Christopher Breuer，我这才松了一口气。合作中，由他们进行血管种植，然后我来分析血管再生，最终完成了这次研究。”他说。

（来源： Advanced Materials ）

而在接下来，他们将进一步对人工血管进行改良，着重研究原弹力蛋白在再生血管中形成的作用。并将在疾病小鼠模型中进行更深刻的探索，比如糖尿病小鼠或其他基因导致的血管疾病。

同时，计划进行大型健康动物的测试，比如在羊和猪体内进行移植，以研究人工血管的安全性以及再生能力。另外，其还将制备不同结构和大小的人造血管，比如分支血管结构、主动脉特殊结构等。

参考资料：

1.Wang, Z., Mithieux, S. M., Vindin, H., Wang, Y., Zhang, M., Liu, L., ... & Weiss, A. S. (2022). Rapid Regeneration of a Neoartery with Elastic Lamellae. Advanced Materials, 2205614.

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