?
Global
中文 English

媒體中心

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院潘湘斌和中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所王偉偉:完全可降解室間隔缺損封堵器 | BAM

2023-04-21

*本文轉(zhuǎn)載于: BioactMater生物活性材料,作者:BAM

 

近期,中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院潘湘斌教授生物醫(yī)學(xué)工程研究所王偉偉教授在科愛創(chuàng)辦的期刊Bioactive Materials上聯(lián)合發(fā)表封面文章:完全可降解室間隔缺損封堵器。臨床所用金屬封堵器存在鎳過(guò)敏、心肌磨損和心律失常等風(fēng)險(xiǎn)。作者研發(fā)了一種完全可降解封堵器,該封堵器由聚對(duì)二氧環(huán)己酮(PDO)骨架和左旋聚乳酸(PLLA)阻流膜組成。與鎳鈦合金相比,PDO顯著緩解炎癥反應(yīng),減輕纖維化并促進(jìn)內(nèi)皮化。大動(dòng)物室間隔缺損模型和5例患者均在超聲引導(dǎo)下成功植入,證實(shí)了PDO封堵器的安全性和有效性。

 

01 研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

室間隔缺損 (VSD)是最常見的先天性心臟病之一。過(guò)去的幾十年里,經(jīng)導(dǎo)管封堵VSD相比于開胸手術(shù)具有微創(chuàng)、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn),已成為一種優(yōu)先的治療方法。目前上市的VSD 封堵器由鎳鈦合金制成。然而,永久遺留在心臟內(nèi)的金屬殘留可能會(huì)導(dǎo)致鎳金屬過(guò)敏、心肌磨損、瓣膜損傷、傳導(dǎo)阻滯和血栓栓塞等嚴(yán)重并發(fā)癥,總體發(fā)生率高達(dá)0.1% ~ 8.6%,主要?dú)w因于金屬封堵器鎳離子的長(zhǎng)期釋放、對(duì)周圍心臟組織的持續(xù)壓迫、無(wú)法緩解的炎癥反應(yīng)和延遲內(nèi)皮化過(guò)程等因素。

 

可降解材料的出現(xiàn)提供了一種富有前景的方式避免體內(nèi)永久金屬植入物??山到獠牧?,如左旋聚乳酸(PLLA)和聚二氧環(huán)己酮(PDO)具有良好的生物相容性,可在體內(nèi)完全降解成二氧化碳和水,自1980年代以來(lái)已被FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于外科縫合線和血管內(nèi)支架。前期臨床試驗(yàn)證明了 PLLA 和膠原兩種封堵器在房間隔缺損 (ASD) 封堵中的可行性和安全性。然而,目前可降解的封堵器保留了金屬支架提供機(jī)械支撐和增強(qiáng) X 射線可見性,不能完全降解,仍然面臨金屬封堵器的上述風(fēng)險(xiǎn)。此外,與ASD相比,VSD具有更復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)(如更靠近房室瓣和傳導(dǎo)通路),血流動(dòng)力學(xué)的影響更大,這對(duì)VSD可降解封堵器的形態(tài)設(shè)計(jì)、力學(xué)性能和促內(nèi)皮化進(jìn)程提出了更高的要求。因此,使用完全可生物降解的封堵器封堵 VSD 仍然是一項(xiàng)重大的臨床挑戰(zhàn)。

 

為了解決鎳鈦合金封堵器殘留在心臟的問(wèn)題,作者研發(fā)了一種完全可降解的PDO封堵器,用于經(jīng)導(dǎo)管VSD封堵 (圖1)。雙盤形PDO封堵器由骨架和阻流膜組成。結(jié)果表明,PDO具有良好的力學(xué)性能、幾何適應(yīng)性、生物相容性和降解性。皮下埋植表明,與鎳鈦合金相比,PDO纖維可以顯著緩解炎癥,募集促修復(fù)M2巨噬細(xì)胞,減輕纖維化并促進(jìn)內(nèi)皮化。PDO封堵器超聲引導(dǎo)下成功植入犬VSD模型中。3年隨訪顯示PDO封堵器可誘導(dǎo)心臟組織再生。封堵器促內(nèi)皮化進(jìn)程快于降解過(guò)程,保證無(wú)殘余分流或位移發(fā)生。隨著封堵器的降解,偶發(fā)心律失常的發(fā)生頻率降低,未見致死性心律失常。在5例VSD患者的臨床試驗(yàn)中,所有封堵器都在超聲引導(dǎo)下成功植入,3個(gè)月隨訪無(wú)殘余分流、瓣膜損傷和致命心律失常等不良事件。總之, PDO封堵器在VSD治療中表現(xiàn)出優(yōu)于鎳鈦合金的安全性和有效性,為進(jìn)一步的大規(guī)模臨床試驗(yàn)提供了很大的希望。

 

圖1:PDO封堵器設(shè)計(jì)示意圖。(A) PDO封堵器與鎳鈦合金相比,能明顯緩解炎癥,促進(jìn)內(nèi)皮化。(B) PDO封堵器的安全性和有效性在大鼠皮下埋植模型、犬VSD模型和5例VSD患者的臨床試驗(yàn)應(yīng)用中得到驗(yàn)證。(C) 犬VSD模型3年隨訪顯示了PDO封堵器誘導(dǎo)心臟修復(fù)的過(guò)程。

 

一、完全可降解室間隔缺損封堵器的制備

首先,PDO單絲通過(guò)熔融紡絲制成,將分子量為180 kDa的PDO顆粒加熱至160 °C,熔化后,從紡絲機(jī)中擠出,在水浴中冷卻,形成直徑為0.15 mm的單絲。將長(zhǎng)度為單絲編織成網(wǎng)管并放入設(shè)計(jì)好的模具中,加熱至 100 °C 60 分鐘,冷卻至室溫以形成雙盤形狀。隨后將兩片厚度為0.1 mm的PLLA熔融紡絲封堵膜,激光切割成匹配的尺寸,并用PDO單絲固定在圓盤和封堵器的腰部。

 

PDO 材料的形狀記憶和彈性不如鎳鈦合金,這可能會(huì)導(dǎo)致封堵器從導(dǎo)管中釋放后無(wú)法復(fù)形。為加強(qiáng)PDO骨架的幾何適應(yīng)性,作者在左側(cè)傘盤上編織了一條PDO單絲制成的塑形線。封堵器從導(dǎo)管中展開后,可將其收緊以壓縮和塑形傘盤。值得注意的是,作者移除了所有金屬標(biāo)記,賦予了 PDO 封堵器完全的生物降解性。

 

拉伸試驗(yàn)的表明PDO單絲拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為200.17 mPa和38.6%,符合封堵器強(qiáng)度需要。經(jīng)過(guò)950萬(wàn)次3000N負(fù)荷的疲勞試驗(yàn),PDO封堵器的結(jié)構(gòu)完好無(wú)損。顯微鏡檢查未見封堵器斷裂、破裂或脫層,說(shuō)明PDO封堵器能夠適應(yīng)心室內(nèi)的血壓,無(wú)變形和斷裂。

 

圖2:PDO封堵器的設(shè)計(jì)、性質(zhì)、生物相容性。(A, B) PDO封堵器及輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(C)成型線收緊前(上圖)和收緊后(下圖)封堵器釋放的形態(tài)。(D) 1H-NMR; (E) XRD; (F) TGA; (G) GPC; (H) DSC。(I)PDO單絲拉伸試驗(yàn)。(J)抗疲勞試驗(yàn)后PDO封堵器右側(cè)傘盤顯微圖像。(K) CCK-8測(cè)定生物相容性。(L) PDO溶血試驗(yàn)。

 

二、大鼠皮下埋植評(píng)價(jià)體內(nèi)炎癥、促內(nèi)皮化反應(yīng)

為了進(jìn)一步評(píng)估體內(nèi)生物相容性,將PDO單絲和鎳鈦合金植入皮下。Masson三色染色顯示,1周、1個(gè)月和3個(gè)月時(shí),鎳鈦合金組膠原蛋白分布密度明顯高于PDO組,表明PDO引起的異物反應(yīng)和纖維化包裹更輕。H&E染色進(jìn)一步顯示在1周和1個(gè)月時(shí),鎳鈦合金組中以中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)為特征的炎癥區(qū)域顯著大于PDO。這些數(shù)據(jù)表明,與鎳鈦合金相比,PDO 可以誘導(dǎo)強(qiáng)度較低且持續(xù)時(shí)間較短的炎癥反應(yīng),顯示出更好的生物相容性。

 

圖3:PDO在大鼠皮下埋植模型中減輕纖維化和炎癥。(A) PDO和鎳鈦合金絲皮下埋植示意圖。(B) 假手術(shù)組、PDO組、鎳鈦合金組組織分別在1周、1個(gè)月、3個(gè)月時(shí)進(jìn)行Masson染色。(C) 對(duì)照組、PDO組和鎳鈦合金組膠原體積分?jǐn)?shù)的統(tǒng)計(jì)分析 (n = 3)。(D)對(duì)照組、PDO組和鎳鈦合金組H&E染色的代表性圖像。(E) 對(duì)照組、PDO組、鎳鈦合金組炎癥面積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 (n = 3)。黑色虛線表示植入物和組織之間的界面。

 

巨噬細(xì)胞在異物反應(yīng)中起核心作用,與炎癥持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。PDO招募的巨噬細(xì)胞(CD68+)數(shù)量明顯低于鎳鈦合金組。此外,更多的M2型巨噬細(xì)胞在PDO組中極化,表明PDO誘導(dǎo)促修復(fù)過(guò)程。免疫組化和WB進(jìn)一步驗(yàn)證,CD68和iNOS的表達(dá)在鎳鈦合金組中顯著上調(diào),而CD206在PDO組中上調(diào)。這些結(jié)果表明PDO促進(jìn)了體內(nèi)的修復(fù)反應(yīng)。

 

可生物降解材料有利于細(xì)胞粘附和浸潤(rùn),可促進(jìn)內(nèi)皮化進(jìn)程。與鎳鈦合金相比,PDO在1個(gè)月時(shí)顯著增加了CD31+內(nèi)皮細(xì)胞的浸潤(rùn)。WB顯示CD31的表達(dá)水平在PDO組也顯著上調(diào),表明PDO有利于內(nèi)皮細(xì)胞的粘附和浸潤(rùn),可促進(jìn)體內(nèi)內(nèi)皮化進(jìn)程。

 

圖4:PDO促進(jìn)M2巨噬細(xì)胞極化和內(nèi)皮化。(A) 1個(gè)月植入后CD206、CD68、iNOS免疫熒光染色,測(cè)量平均光密度(AOD) (n=3)。(B) Western blotting檢測(cè)組織中CD68、CD206和iNOS蛋白表達(dá)水平 (n=3)。(C) 1個(gè)月時(shí)組織中CD31免疫熒光染色(n=3)。(D)組織中CD31蛋白表達(dá)水平(n=3)。白色虛線表示植入物和組織之間的界面。

 

三、犬VSD模型3年隨訪評(píng)價(jià)封堵器安全性和有效性

對(duì)于臨床轉(zhuǎn)化,作者進(jìn)一步評(píng)估PDO封堵器在犬VSD 模型中的安全性和有效性。VSD通過(guò)穿刺室間隔和球囊擴(kuò)張產(chǎn)生。在超聲指導(dǎo)下經(jīng)導(dǎo)管植入封堵器。所有封堵器都在第一次嘗試中成功植入。第 1、3、6、12、24 和 36 個(gè)月時(shí),3 只犬安樂(lè)死以評(píng)估PDO 封堵器體內(nèi)情況。在大體檢查中,封堵器在室間隔中的位置很好,無(wú)移位,封堵器表面未見血栓。隨訪過(guò)程中,PDO封堵器殘留面積逐漸減少,內(nèi)皮逐漸覆蓋傘盤,提示存在降解和內(nèi)皮化過(guò)程。

 

H&E染色顯示隨訪期間心臟未發(fā)生嚴(yán)重炎癥、血栓或心肌磨損。6 個(gè)月內(nèi)觀察到中度炎癥反應(yīng)。Masson染色顯示內(nèi)皮細(xì)胞從PDO邊緣向封堵器的中心生長(zhǎng),膠原圍繞著PDO形成。掃描電子顯微鏡顯示PDO在3個(gè)月內(nèi)保持內(nèi)皮細(xì)胞包圍,在36個(gè)月時(shí)完全降解,重建高度纖維化的微觀結(jié)構(gòu),類似于天然心肌的結(jié)構(gòu)。

 

圖5:PDO封堵器植入犬VSD模型的安全性和有效性。(A) 1、3、6、12、24、36個(gè)月植入PDO封堵器的大體病理圖。(B) H&E染色。(C)Masson染色。(D) PDO殘留面積和內(nèi)皮覆蓋曲線。(E) 植入封堵器3個(gè)月和36個(gè)月時(shí)掃描電鏡。(F) 降解和組織再生過(guò)程的示意圖。

 

隨訪期間未觀察到致命的心律失常。隨著封堵器的退化,心律失常總頻率隨時(shí)間降低。超聲顯示封堵器處于良好位置并逐漸降解。心功能及形態(tài)均在正常范圍內(nèi),血液檢查和肝臟檢查均未發(fā)現(xiàn)異常,表明 PDO封堵器在長(zhǎng)期隨訪期間無(wú)毒性。

 

圖6:犬VSD模型的心電圖、超聲和血液檢查。(A) 隨訪時(shí)心電圖代表性圖像。(B) 超聲圖像及左右傘盤降解分析。白色虛線勾勒為封堵器輪廓。(C-E)超聲心動(dòng)圖定量LVEF、LVFS、LVEDV、LVEDS、LVIDd和LVIDs (n=3)。(F-H) 血常規(guī)及生化常規(guī)檢查 (n=3)。

 

四、5例VSD患者臨床應(yīng)用

為了進(jìn)一步評(píng)估封堵器的安全性和有效性, 2020 年 4 月至 2020 年 7 月對(duì) 5 名膜周部 VSD 患者進(jìn)行了超聲引導(dǎo)下經(jīng)導(dǎo)管植入。所有封堵器均成功植入。沒(méi)有發(fā)生心臟驟停、主動(dòng)脈或三尖瓣反流加重、心包積液或心包填塞等主要不良事件。

 

圖7:PDO封堵器在VSD患者中的臨床應(yīng)用。(A) 超聲指導(dǎo)下PDO封堵器植入手術(shù)。(B) 超聲隨訪3個(gè)月結(jié)果。(C-H) 血常規(guī)及生化常規(guī)檢查(n = 5)。

 

綜上所述,PDO封堵器具有生物相容性、機(jī)械穩(wěn)定性、降解性、緩解炎癥反應(yīng)和促進(jìn)內(nèi)皮化等優(yōu)點(diǎn),是一種富有前景的先心病治療方式。作者預(yù)期PDO封堵器在未來(lái)的大規(guī)模臨床試驗(yàn)中可以顯示出安全性和有效性。


 

02 論文第一/通訊作者簡(jiǎn)介

 

第一作者:李澤夫

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院結(jié)構(gòu)性心臟病中心潘湘斌教授博士研究生在讀,心血管外科學(xué),參與發(fā)表多篇SCI論文,獲得國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)1項(xiàng),主要研究方向?yàn)楦叻肿泳酆衔锊牧显诮Y(jié)構(gòu)性心臟病中的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究、生物信息學(xué)與心血管疾病。

 

第一作者:孔朋旭

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院結(jié)構(gòu)性心臟病中心潘湘斌教授博士研究生在讀,主要研究方向?yàn)樾难苌锊牧?,發(fā)表SCI、核心期刊多篇。

 

通訊作者:王偉偉

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所,研究員、博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)樯镝t(yī)用高分子材料與醫(yī)療器械研發(fā),主持國(guó)家自然科學(xué)基金,天津市杰出青年科學(xué)基金,中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程等各類基金項(xiàng)目。獲得天津市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì)科學(xué)家獎(jiǎng),Vebleo Fellow等獎(jiǎng)勵(lì)和榮譽(yù)稱號(hào)。以通訊作者在Science Advances, Advanced Functional Materials, Nano Letters, Biomaterials, Bioactive Materials, Composites part B, Acta Biomaterialia等雜志上發(fā)表SCI論文50余篇。擔(dān)任Acta Biomaterialia和Biomaterials Research等雜志編委。

 

 

通訊作者:潘湘斌

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院副院長(zhǎng),云南省阜外心血管病醫(yī)院執(zhí)行院長(zhǎng),阜外醫(yī)院深圳醫(yī)院執(zhí)行院長(zhǎng),華中阜外醫(yī)院總院長(zhǎng)助理。國(guó)家衛(wèi)健委結(jié)構(gòu)性心臟病介入質(zhì)控中心主任,全國(guó)青聯(lián)常務(wù)委員;中華醫(yī)學(xué)會(huì)胸心血管外科分會(huì)全國(guó)委員;中國(guó)青年科技工作者協(xié)會(huì)常務(wù)理事;歐洲心臟病學(xué)會(huì)外籍資深專家;美國(guó)心臟病學(xué)會(huì)外籍資深專家;美國(guó)心血管造影及介入學(xué)會(huì)外籍資深專家;美國(guó)胸心外科醫(yī)生協(xié)會(huì)外籍資深專家。復(fù)合型技術(shù)專家,首位心臟內(nèi)、外科雙博導(dǎo),主持“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金等國(guó)家及省部級(jí)項(xiàng)目二十余項(xiàng),針對(duì)傳統(tǒng)心血管治療技術(shù)存在創(chuàng)傷大、風(fēng)險(xiǎn)高、推廣困難的問(wèn)題,發(fā)明了一套以超聲引導(dǎo)為核心的微創(chuàng)介入治療方法,獲得國(guó)內(nèi)外專利40余項(xiàng),多項(xiàng)器械在國(guó)內(nèi)、外上市,其中超聲引導(dǎo)導(dǎo)絲、超聲導(dǎo)管、完全可降解封堵器等為全球首個(gè)上市產(chǎn)品,在 Bioactive Materials、Science Bulletin、JACC Cardiovasc Interv、 Circ Cardiovasc Interv、ACS Nano等雜志上發(fā)表90余篇高水平論文。近年來(lái)主持十三五項(xiàng)目課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等十余項(xiàng)重大項(xiàng)目,以第一完成人獲中華醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、教育部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、云南省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng),獲北京市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、杰出青年中關(guān)村獎(jiǎng)、國(guó)家“高層次人才特殊支持計(jì)劃”領(lǐng)軍人才、國(guó)家“突出貢獻(xiàn)中青年專家”、全國(guó)優(yōu)秀科技工作者等稱號(hào)。


 

03 資助信息

該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金(81970444)、中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(2019PT350005)、北京市科技計(jì)劃 (Z201100005420030)、國(guó)家高層次人才特殊支持計(jì)劃 (2020-RSW02)、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)與健康科技創(chuàng)新工程(2021-I2M-1-065;2021-I2M-1-058)、深圳三名工程(SZSM202011013)、天津市杰出青年自然科學(xué)基金(21JCJQJC00020)支持。


 

04 原文信息

Li Z, Kong P, Liu X, Feng S, Ouyang W, Wang S, Hu X, Xie Y, Zhang F, Zhang Y, Gao R, Wang W, Pan X.

A fully biodegradable polydioxanone occluder for ventricle septal defect closure. 

Bioactive Materials, 24 (2023) 252-262.

?

Copyright © 2021, Scientech Medical. All rights reserved.滬公網(wǎng)安備31011702008238號(hào)滬ICP備2021017431號(hào)

互聯(lián)網(wǎng)藥品信息服務(wù)資格證書編號(hào):(滬)-非經(jīng)營(yíng)性-2021-0163