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一种全生物化组织工程血管的构建方法.pdf

  • 上传人:凯文
  • 文档编号:8469772
  • 上传时间:2020-07-07
  • 格式:PDF
  • 页数:9
  • 大小:932.85KB
  • 摘要
    申请专利号:

    CN201210401734.1

    申请日:

    20121019

    公开号:

    CN102872478B

    公开日:

    20141126

    当前法律状态:

    有效性:

    失效

    法律详情:

    IPC分类号:

    A61L27/36

    主分类号:

    A61L27/36

    申请人:

    陕西正凡科技发展有限公司

    发明人:

    张丽,刘毅,张健,康生,胡铸洪

    地址:

    710075 陕西省西安市高新技术产业开发区科技二路67号

    优先权:

    CN201210401734A

    专利代理机构:

    西安通大专利代理有限责任公司

    代理人:

    徐文权

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    内容摘要

    本发明公开了一种全生物化组织工程血管的构建方法,其特征在于,以羊颈动脉为材料,制备脱细胞血管基质;以内皮祖细胞、平滑肌祖细胞和脂肪干细胞分别作为构建血管内膜、中膜和外膜的种子细胞;以生物反应器实现血管构建中的壁切应力、环状张力和轴向拉伸力的动态过程。该方法采用优化的血管基质和种子细胞来源,经过构建过程中的标准化3-D受力和动态调控,构建出血管结构、力学特性和生物学活动都接近天然血管的组织工程血管。使其具备工业化生产和临床应用潜力,将为组织工程血管进入市场奠定基础。

    权利要求书

    1.一种全生物化组织工程血管的构建方法,其特征在于,以羊颈动脉为材料,制备脱细胞血管基质;以内皮祖细胞、平滑肌祖细胞和脂肪干细胞分别作为构建血管内膜、中膜和外膜的种子细胞;以生物反应器实现血管构建中的壁切应力、环状张力和轴向拉伸力的动态过程;具体按照以下步骤进行:(1)血管支架的制备将新鲜成年山羊颈动脉,置于4℃含青霉素和链霉素各180mg/L的无菌PBS液中;去除血液杂质和附属结缔组织、脂肪成分以及血管外膜;截取长度为20~30mm的动脉作为制备血管支架的材料,并进行脱细胞处理;(2)种子细胞的分离培养①内皮祖细胞:取患者全骨髓2ml,以100U/ml的肝素溶液冲洗,密度为1.020g/ml的Percoll单核细胞分离液上层,2500rpm离心25min,吸除最上层段液体,吸取单核细胞层;用无血清培养基洗涤2次,以DMEM/F12为基础培养基,添加终浓度为10ng/ml的表皮生长因子和血管内皮生长因子,调节细胞终浓度为5×10/ml,接种到预铺有纤连蛋白的培养皿,37℃、5%CO培养箱中进行培养;待可见瓶底细胞呈铺路石状生长,经传代3次后可得到单纯的内皮祖细胞;②平滑肌祖细胞:构建以血管平滑肌细胞特异性序列SM22α启动的EGFP报告基因系统,转染培养的患者骨髓基质细胞,72h后消化为单细胞悬液,上机通过流式活细胞分选的方法分离出GFP阳性细胞,即为SPCs;以含20%小牛血清的DMEM培养液37℃,5%CO条件下培养,7~9d待细胞融合至80%以上时传代;③脂肪干细胞:吸取患者皮下脂肪组织;清洗取出血液、血管;37℃下,使用体积浓度为0.25%胰蛋白酶消化30min;加入同体积含体积浓度10%FBS的DMEM培养液,中和消化液;1200rpm离心10min,红细胞裂解液消化红细胞;100目滤器过滤,离心去除残渣;接种于预铺小牛血清的培养瓶中,以含体积浓度10%FBS的DMEM/F12培养液培养,1周细胞能够融合;(3)血管构建过程中的反应将脱细胞血管基质安装入反应腔;种子细胞与相应的培养液混合,调整细胞密度为1×10/ml,分别加入到对应的培养罐;接通混合气体,进气压力为0.01MPa;开启蠕动泵,双路液体按顺时针方向在系统内循环;首先,在内外腔均加载构建中膜的种子细胞SPCs,培养液为含25ng/mlPDGF-BB、体积浓度5%FBS的DMEM培养基,反应28d;然后,外腔种子细胞替换为ADSCs,培养液为体积浓度10%FBS的DMEM/F12,并添加bFGF25ng/ml,内腔细胞仍为SPCs,反应7天;最后,更换内腔种子细胞为EPCs,培养液为体积浓度10%FBS的DMEM/F12,含有终浓度各为10ng/ml的bFGF和VEGF,反应7天;每隔5天或指示剂显示pH值在7.2~7.4范围外时,暂停系统,离心收集细胞后更换培养液。

    说明书

    技术领域

    本发明属于生物组织工程技术领域,提供一种全部以生物和自体细 胞为原料的组织工程血管构建方案,该组织工程血管具有与天然血管接 近的血管结构、力学特性和生物学活性,用于冠状动脉搭桥、桡动-静脉 短路、深静脉置换等需要血管移植手术,作为天然血管的替代物。

    背景技术

    每年全世界开展的冠脉搭桥和血管旁路手术超过500万例,需要大 量的血管移植材料。目前主要采用自体血管移植,但有些患者本身可供 移植的血管已经使用或发生病理改变,就只能使用人工材料替代血管, 而人工血管又有弹性差、通畅率低等弊端,解决移植物来源矛盾最终要 依靠组织工程血管。从全球第一条组织工程血管诞生到现在的20多年 里,血管构建技术都取得了很大进步,但直到现在仍然没有开发出一个 能达到临床应用要求的组织工程血管。现将当前组织工程血管相关技术 介绍如下:

    (1)支架材料

    天然支架材料来源于生物体,一般是由生物体内提取的胶原经过化 学和热处理,再经过交联制备而成,具有良好的种子细胞相容性,能为 细胞粘附、增殖和成熟提供近似于体内正常血管组织细胞间的基质条件, 但它的力学强度无法天然血管相比,并且胶原的微观结构与血管组织有 很大区别。人工合成材料可以大规模批量生产,来源丰富,具有很好的 可塑性,无免疫圆形,还可以精准地控制其形态、尺寸、孔径大小和力 学强度等特性,但其细胞相容性难以达到天然血管水平,很大程度上限 制了后续的细胞化过程。

    (2)种子细胞

    目前组织工程血管的种子细胞仍以单一来源的成熟细胞或干细胞 为主,还没有理想的种子细胞出现。以成熟的血管壁平滑肌细胞作为种 子细胞,其具有收缩性、调节细胞外基质分泌和提供生物力学稳定的作 用,但成熟血管壁细胞的获取会造成新的损伤,而且扩增能力有限,多 次传代后性状会发生改变,不能实现组织工程血管的量产。因此近年来 又出现了以干细胞作为种子细胞的尝试,最多被研究的有从骨髓中分离 的成体干细胞,它具有很强的增殖能力和定向分化能力,可以从自身的 骨髓获得进行培养扩增,多次传代后表型不会发生改变。胚胎干细胞可 以分化成血管平滑肌细胞和内皮细胞,是理想的种子细胞,但诱导其定 向分化的技术还不成熟,获取和培养的过程负责,而且还会牵扯伦理道 德方面的问题。

    (3)构建环境

    组织工程血管的培养必须在生物反应器中动态进行,目的是为组织 工程血管提供稳定的、与生物体内相似的生长环境,这是构建人工血管 成败的关键因素。培养环境中,化学因素条件就是组织工程血管生长必 须的营养、pH值、氧气、代谢产物等条件,这些在目前技术条件下都可 以解决。物理因素就是组织工程血管构建过程中的力学环境,当前技术 只考虑了两种力学刺激:一种是沿血管周径分布的由血流压力形成的环 状张力,另一种是平行于血管长轴的血流对血管内表面造成的剪切力。 而另一种血管应力——由心脏搏动产生的对动脉血管的轴向拉伸力却被 忽视,这是可能是导致目前组织工程血管难以临床应用的重要原因。而 且,血管构建过程中的力学环境是一个动态过程,目前还没有对这个动 态过程进行标准化的研究。

    综上所述,在现有的血管构建技术下,没有一条具有量产和临床应 用潜力的组织工程血管出现,究其原因,一是在体外反应过程中难以模 拟复杂的血管受力环境,因此所构建的工程血管在结构和强度上都无法 比肩天然血管;二是采集构建血管的种子细胞受到技术上和伦理学的诸 多限制。

    发明内容

    本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种全生物化组 织工程血管的构建方法,该方法采用优化的血管基质和种子细胞来源, 经过构建过程中的标准化3-D受力和动态调控,构建出血管结构、力学 特性和生物学活动都接近天然血管的组织工程血管。使其具备工业化生 产和临床应用潜力,将为组织工程血管进入市场奠定基础。

    本发明的目的是通过以下技术方案来解决的:

    这种全生物化组织工程血管的构建方法是以羊颈动脉为材料,制备 脱细胞血管基质;以内皮祖细胞、平滑肌祖细胞和脂肪干细胞分别作为 构建血管内膜、中膜和外膜的种子细胞;以生物反应器实现血管构建中 的壁切应力、环状张力和轴向拉伸力的动态过程。

    进一步,上述构件方法具体按照以下步骤进行:

    (1)血管支架的制备

    将新鲜成年山羊颈动脉,置于4℃含青霉素和链霉素各180mg/L的 无菌PBS液中;去除血液杂质和附属结缔组织、脂肪成分以及血管外膜; 截取长度为20~30mm的动脉作为制备血管支架的材料,并进行脱细胞 处理;

    (2)种子细胞的分离培养

    ①内皮祖细胞:取患者全骨髓2ml,以100U/ml的肝素溶液冲洗, 密度为1.020g/ml的Percoll单核细胞分离液上层,2500rpm离心25min, 吸除最上层段液体,吸取单核细胞层;用无血清培养基洗涤2次,以 DMEM/F12为基础培养基,添加终浓度为10ng/ml的表皮生长因子和血 管内皮生长因子,调节细胞终浓度为5×105/ml,接种到预铺有纤连蛋白 的培养皿,37℃、5%CO2培养箱中进行培养;待可见瓶底细胞呈铺路石 状生长,经传代3次后可得到单纯的内皮祖细胞;

    ②平滑肌祖细胞:构建以血管平滑肌细胞特异性序列SM22α启动 的EGFP报告基因系统,转染培养的患者骨髓基质细胞,72h后消化为 单细胞悬液,上机通过流式活细胞分选的方法分离出GFP阳性细胞,即 为SPCs;以含20%小牛血清的DMEM培养液37℃,5%CO2条件下培 养,7~9d待细胞融合至80%以上时传代;

    ③脂肪干细胞:吸取患者皮下脂肪组织;清洗取出血液、血管; 37℃下,使用体积浓度为0.25%胰蛋白酶消化30min;加入同体积含体 积浓度为10%FBS的DMEM培养液,中和消化液;1200rpm离心10min, 红细胞裂解液消化红细胞;100目滤器过滤,离心去除残渣;接种于预 铺小牛血清的培养瓶中,以含体积浓度10%FBS的DMEM/F12培养液 培养,1周左右细胞能够融合;

    (3)血管构建过程中的反应

    将脱细胞血管基质安装入反应腔;种子细胞与相应的培养液混合, 调整细胞密度为1×107/ml,分别加入到对应的培养罐;接通混合气体, 进气压力为0.01MPa;开启蠕动泵,双路液体按顺时针方向在系统内循 环;首先,在内外腔均加载构建中膜的种子细胞SPCs,培养液为含 25ng/ml PDGF-BB、体积浓度5%FBS的DMEM培养基,反应28d;然 后,外腔种子细胞替换为ADSCs,培养液为体积浓度10%FBS的 DMEM/F12,并添加bFGF25ng/ml,内腔细胞仍为SPCs,反应7天; 最后,更换内腔种子细胞为EPCs,培养液为体积浓度10%FBS的 DMEM/F12,含有终浓度各为10ng/ml的bFGF和VEGF,反应7天;每 隔5天或指示剂显示pH值在7.2~7.4范围外时,暂停系统,离心收集细 胞后更换培养液。

    进一步的,上述步骤(1)中进行脱细胞处理的具体步骤为:

    ①反复冻融:将材料分别置于4℃预冷、-80℃冷冻2h、37℃水浴 复温15min,上述冻融过程反复进行3次;

    ②超高压处理:将材料以无菌D-Hank’s液反复冲洗干净后,密封 入塑料袋,袋中浸满D-Hank’S液,置入超高压舱中,500MPa、4℃条件 下处理20min,处理结束后无菌条件下将内层特制塑料袋中的血管取出;

    ③化学方法脱细胞处理:将上述步骤处理过的血管在SDS中以37℃ 振摇,100rpm,12h;然后使用PBS液振摇漂洗48h,彻底去除残留SDS;

    ④脱细胞血管基质的冻干及消毒:在-80℃低温冰箱中速冻24h,再 置入-70℃、6.67×10-4KPa的冷冻干燥机内6h冷冻干燥,用包装袋密闭 分装后,60Co辐照消毒。

    本发明具有以下有益效果:

    (1)组织工程血管的结构观察

    按照发明内容中描述的方法进行脱细胞血管基质支架制备,并在上 述反应条件下,以种子细胞,经过血管平滑肌层构建、内皮细胞覆盖和 脂肪干细胞的外膜包裹过程,全生物化的组织工程血管构建完成。大体 上观察,脱细胞血管基质基本保持管状结构;HE染色显示胶原纤维和 弹性纤维保持天然形态;Masson染色显示血管基质管壁胶原纤维成分连 续性保存良好。构建的组织工程血管内表面光滑,管腔直径较支架略小, 血管弹性良好;HE染色可见大量核蓝染的细胞存在,红色胶原纤维平 行排列;Masson染色显示胶原纤维呈蓝色,肌纤维呈红色,细胞核呈蓝 褐色。上述大体和组织学观察表明,本发明构建的组织工程血管在外观 和结构上与天然血管基本相似。

    (3)组织工程血管的力学强度检测

    对构建完成组织工程血管立即进行力学强度检测,在生物力学测试 机上进行应变率的测定,并将其与天然血管和高分子材料血管进行应力 (Strain)-应变(Stress)曲线的比较,结果表明组织工程血管的应变远 接近天然血管,而高分子材料血管应变率最低,说明构建的组织工程血 管顺应性正。爆破压测定表明,构建的血管最大爆破压达到天然血管的 88.7%,因此力学强度可以达到要求;尼龙血管爆破压远高于天然血管, 说明高分子材料在力学强度上优势较大。

    (4)组织工程血管的生物学活性检测

    构建的组织工程血管放在血环环实验平台,加入终浓度为10μmol/L 的乙酰胆碱(Ach),组织工程血管立即表现出持续舒张反应,舒张率为 46.4%,天然血管为54.2%;在加入终浓度为10μmol/L的苯肾上腺素(PE) 后,组织工程血管呈现出持续收缩反应,舒张率为66.4%,天然血管为 74.1%。检测说明,构建的组织工程血管具有血管内皮层和平滑肌层, 呈现出一定的生物学活性,已经非常接近天然血管。

    (5)组织工程血管的移植和效果观察

    将构建的组织工程血管移植替换新西兰家兔的腹主动脉,进行移植 效果观察。动物按无菌原则及非接触技术横断肾下腹主动脉,剪下一段 腹主动脉长约2.0cm,再将构建好的组织工程血管以8/0聚丙烯线间断外 翻吻合到腹主动脉上。血管移植后每个月进行彩色多普勒检查,血管替 换出血流通畅,未出现狭窄情况。移植术后3个月行数字减影血管造影, 证实血管通畅情况。随后麻醉取出移植段标本,进行大体观察,未发现 明显炎症反应,说明构建的组织工程血管具有良好的生物相容性,未出 席免疫排斥。

    综上所述,本发明这种全生物化的组织工程血管构建方法,具备工 业化生产和临床应用潜力,将为组织工程血管进入市场奠定基础,具有 重要的社会和经济价值。

    附图说明

    图1为本发明的组织工程血管反应装置的结构图;

    图2为本发明构建的组织工程血管横截面和血管壁剖面结构图。

    具体实施方式

    本发明的全生物化组织工程血管的构建方法是:以羊颈动脉为材 料,制备脱细胞血管基质;以内皮祖细胞(EPCs)、平滑肌祖细胞(SPCs) 和脂肪干细胞(ADSCs)分别作为构建血管内膜、中膜和外膜的种子细 胞;以生物反应器实现血管构建中的壁切应力、环状张力和轴向拉伸力 的的动态过程。

    下面结合附图对本发明做进一步详细描述:

    图1是用于实现本发明构建方法的装置,图中所有反应装置均为市 售设备,按照图1的连接方法进行组合。旋转反应器是血管反应的场所, 内腔、外腔分别按照反应方案的要求通过含有种子细胞的培养液。步进 电机提供脉动源,产生血管的环状张力;蠕动泵分别驱动内腔和外腔的 培养液流动,产生血管的壁剪切力;旋转反应器内置的线性致动器沿血 管长轴伸缩,产生轴向拉伸力。以Powerlab系统进行全过程的监控。基 于该装置,本发明的全生物化组织工程血管的构建方法的详细工艺步骤 如下:

    (1)血管支架的制备

    新鲜成年山羊颈动脉,置于4℃含青霉素和链霉素各180mg/L的无 菌PBS液中。去除血液杂质和附属结缔组织、脂肪成分以及大部分血管 外膜。截取长度为20~30mm、无明显分支、内径约5mm的动脉作为制 备血管支架的材料,按以下步骤进行脱细胞处理:

    ①反复冻融:将材料分别置于4℃预冷、-80℃冷冻2h、37℃水浴 复温15min,上述冻融过程反复进行3次;

    ②超高压处理:将材料以无菌D-Hank’s液反复冲洗干净后,密封 入特制塑料袋,袋中浸满D-Hank’S液,置入超高压舱中,500MPa、4℃ 条件下处理20min,处理结束后无菌条件下将内层特制塑料袋中的血管 取出;

    ③化学方法脱细胞处理:将经上述步骤处理的血管在0.125%SDS 中37℃振摇,100rpm,12h,使用PBS液振摇漂洗48h,彻底去除残留 SDS;

    ④脱细胞血管基质的冻干及消毒:在-80℃低温冰箱中速冻24h,再 置入-70℃、6.67×10-4KPa的冷冻干燥机内6h冷冻干燥,用包装袋密闭 分装后,60Co辐照消毒。

    (2)种子细胞的分离培养

    ①内皮祖细胞:取患者全骨髓2ml,以10ml肝素溶液(100U/ml) 冲洗,Percoll单核细胞分离液(密度1.020g/ml)上层,2500rpm离心 25min,吸除最上层段液体(含有血小板和血浆),吸取单核细胞层;用 无血清培养基洗涤2次,以DMEM/F12为基础培养基,添加终浓度为 10ng/ml的表皮生长因子(bFGF)和血管内皮生长因子(VEGF),调节 细胞终浓度为5×105/ml,接种到预铺有纤连蛋白的培养皿,37℃、5%CO2培养箱中进行培养;约9d可见瓶底细胞呈铺路石状生长,经传代3次后 可得到较为单纯的内皮祖细胞。

    ②平滑肌祖细胞:构建以血管平滑肌细胞特异性序列SM22α启动 的EGFP报告基因系统,转染培养的患者骨髓基质细胞(贴壁的骨髓单 核细胞),72h后消化为单细胞悬液,上机通过流式活细胞分选的方法分 离出GFP阳性细胞,即为SPCs。以含20%小牛血清的DMEM培养液 37℃,5%CO2条件下培养,7~9d待细胞融合至80%以上时传代。

    ③脂肪干细胞:吸取患者皮下脂肪组织;清洗取出血液、血管;37℃ 下,使用体积浓度为0.25%胰蛋白酶消化30min;加入同体积含体积浓 度为10%FBS的DMEM培养液,中和消化液;1200rpm离心10min,红 细胞裂解液消化红细胞;100目滤器过滤,离心去除残渣;接种于预铺 小牛血清的培养瓶中,以含体积浓度10%FBS的DMEM/F12培养液培 养,1周左右细胞可融合。

    (3)血管构建过程中的反应方案

    组织工程血管反应器为市售设备的组合,其基本组成如图1。将脱 细胞血管基质安装入反应腔;种子细胞与相应的培养液混合,调整细胞 密度为1×107/ml,分别加入到对应的培养罐;接通混合气体,进气压力 为0.01MPa。开启蠕动泵,双路液体按顺时针方向在系统内循环。首先, 在内外腔均加载构建中膜的种子细胞SPCs,培养液为含25ng/ml PDGF-BB、体积浓度5%FBS的DMEM培养基,反应28d;然后,外腔 种子细胞替换为ADSCs,培养液为体积浓度10%FBS的DMEM/F12, 并添加bFGF25ng/ml,内腔细胞仍为SPCs,反应7d;最后,更换内腔 种子细胞为EPCs,培养液为体积浓度10%FBS的DMEM/F12,含有终 浓度各为10ng/ml的bFGF和VEGF,反应7d。每隔5d或指示剂显示pH 值在7.2~7.4范围外时,暂停系统,离心收集细胞后更换培养液。具体 的反应流程见表1:

    表1.组织工程血管构建过程中采取的反应方案

    总计反应时间为42d,构建过程中的程序和参数如此表。其中,SPCs 为血管平滑肌祖细胞;EPCs为内皮祖细胞;ADSCs为脂肪干细胞;表 示血管反应器转速(rpm);F表示外腔液体流(L/min);τmean表示平 均血管壁切应力(dyne/cm2);Pmean表示血管环状张力(mmHg);λz 表示轴向拉伸长度。

    本发明构建的组织工程血管横截面和血管壁剖面结构图如图2所 示:构建的组织工程血管具有与天然血管相似的三层结构。血管支架材 料为羊颈动脉脱细胞血管基质,内膜1的种子细胞为内皮祖细胞,中膜 2的种子细胞为血管平滑肌祖细胞,外膜3的种子细胞为脂肪干细胞。

    关 键  词:
    一种 生物 组织 工程 血管 构建 方法
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