心臟組織工程在冠心病中的應用
作者：路英進 丁彥春
目前心血管疾病已成為發達國家的主要經濟負擔。 在發展中國家， 隨著高血壓、糖尿病及肥胖等心血管危險因素的不斷增加， 心血管疾病所造成的影響也逐年增大。
缺血性心臟病是由冠狀動脈迴圈改變引起冠狀動脈血流和心肌需求不平衡而導致的心肌損害， 是心血管疾病中病情危重且致死率較高的疾病。 冠狀動脈粥樣硬化性病變是缺血性心臟病的主要病因， 也是引起我國乃至全球患者死亡的主要病因。
組織工程學是通過將材料學、生物學及工程學等眾多學科原理及方法相結合，
目前工程化組織已被實踐用於多種臨床研究， 如皮膚、軟骨、膀胱移植、陰道恢復及血管移植等。 不斷的研究探索為組織工程的發展積累了寶貴的經驗， 也證實了其潛在的應用價值。
冠心病嚴重的心肌缺血可導致心肌細胞損傷及壞死。 對已發生壞死或纖維化的心肌組織， 傳統的治療策略已不能達到滿意的治療效果。 尤其對終末期心臟病患者， 雖然心臟移植是首選治療方法，
因此臨床上迫切需要新的修復梗死心肌的方法。 目前組織工程研究領域針對冠心病治療已有諸多探索， 如心臟補片、可注射化材料、人工血管及人工心臟等。
一、心臟補片
冠心病心肌缺血導致細胞損傷及壞死， 並影響患者的心臟功能及血液動力學。 若能修復已損傷及壞死的心肌細胞將對治療起重要作用。 研究表明， 成人心臟內源性再生能力較小。 細胞治療的出現為冠心病治療提供了一個可行的思路。 然而基於心肌梗死動物模型的研究顯示因缺乏充足的血流供應等原因， 單純的細胞治療效果欠佳。
隨著組織工程的發展， 體外再造組織或器官成為可能，
1.細胞類型：
人類心臟中含有多細胞係數十億的細胞。 而創建心臟補片至少需要3種類型細胞：內皮細胞、平滑肌細胞和心肌細胞。 人類多能幹細胞因具有無限增殖、可誘導且易獲取等優點有望成為心臟補片理想的細胞來源。
2.心臟補片的創建方法：
工程化心臟補片主要有細胞片及含細胞的支架。 細胞片是單純細胞生長至相互融合成片後生成。 基於支架材料設計的心臟貼片主要由作為基質的生物材料及其懸浮細胞構成。
支架材料通常由天然的膠原及纖維蛋白等材料構成。 研究顯示支架材料可通過傳遞生長因數及其他細胞因數進一步改善血管再生、細胞凋亡及啟動內皮修復。
3.獲益機制：
急性心肌梗死後， 梗死區域心肌組織代償性的被纖維瘢痕組織代替。 心室壁變薄， 心室在收縮期向外膨脹， 周圍心臟組織的室壁張力隨之升高。 升高的室壁張力會進一步改變周圍細胞代謝， 導致病灶區域內功能紊亂及心室重構。
工程化心臟補片在改善心室壁厚度及硬度的同時可阻止室壁膨隆， 因此可改善心肌功能並延緩疾病進展。 此外， 移植細胞分泌細胞因數可促進血管生成、抑制凋亡並減少細胞遷移。
工程化心臟補片的效果已被動物實驗證實。 不能充分血管化是限制心臟補片應用的重要原因。 Wang等將幹細胞移植入心臟細胞外基質中， 經免疫螢光染色證實， 移植入心臟細胞外基質的幹細胞具有心肌樣細胞表型， 並且在靠近脈管系統的位置可見內皮化表現。
研究顯示具有天然結構的心臟細胞外基質有潛在促進幹細胞分化、心肌細胞再生及血管生成的作用。 組織工程化心臟補片可為梗死區域傳輸並保留大量細胞， 控制梗死範圍擴大， 並限制梗死後細胞重塑。
目前已有報導稱將利用人類胚胎幹細胞來源的心臟祖細胞構建心臟補片並用於心肌梗死後嚴重心力衰竭的患者的治療。研究者將誘導分化後的細胞接種於纖維蛋白支架，手術移植於1例心肌梗死後嚴重心力衰竭患者心肌梗死區域內。
3個月後患者臨床症狀改善，紐約心臟協會(NYHA)心功能由Ⅲ級變為Ⅰ級，左心室射血分數(LVEF)由術前的26%提升至36%。心臟超聲檢查顯示之前心肌梗死後不能觀察到心肌運動的區域在移植心臟補片後觀察到新的運動。
此外患者未見明顯心律失常、腫瘤形成及免疫排斥相關的不良反應及併發症。雖然不能依此給予療效的肯定結論，但患者心功能的改善依然令人鼓舞，體現出利用組織工程的原理構建心臟補片對冠心病患者治療的可行性。
二、可注射化心肌組織
可注射化心肌組織同樣是目前研究的熱點。理論上于梗死後變薄的心室壁處注射生物材料可減小心室壁壓力，延緩心肌梗死後的病理性重構，從而改善心功能。此外注射入病灶內的生物材料可刺激內源性修復，進而調節心肌梗死後的疾病進展。
通過在病灶注射生物材料，不但可為梗死後變薄的心室壁提供結構支援、改善瘢痕區域順應性，而且可為後續的其他治療策略提供平臺。目前多種生物材料已被用於相關研究。
1.注射方法：
注射水凝膠的具體方法目前主要有心內膜注射、經冠狀動脈及心外膜注射。經心內膜或心外膜的方法主要是通過在病灶區域直接注射生物材料。而經冠狀動脈注射法是利用病灶區域脈管系統的滲漏使液態材料擴散入組織內，而避免直接穿刺。
導管技術已被應用于向病灶注射材料。對比其他侵入性方法，導管策略以其更便捷的方式能減小對患者的損傷，縮短修復時間。但導管技術在為臨床應用提供便利的同時也提高了對材料的要求，增加了設計難度。
2.材料的選擇：
目前研究較多的可注射材料主要有天然可注射水凝膠、人工合成可注射水凝膠及脫細胞材料。其中天然可注射水凝膠主要有纖維蛋白、膠原、基質膠、藻酸鹽、透明質酸、殼聚糖及角蛋白等。多種人工材料已被研究用於治療心肌梗死。如合成材料聚二醇及聚異丙基丙烯醯胺。
近年來通過脫細胞的方法製備的天然支架材料在組織工程研究領域應用廣泛。機體各組織有自己獨特的細胞外基質組分，包括各種纖維蛋白、蛋白聚糖及黏多糖等組分。而脫細胞材料是經特殊處理後，去除細胞組分，保留細胞外基質。因此脫細胞材料更接近靶器官或組織的天然結構成分，減小免疫排斥反應的同時更好地發揮修復作用。
Okada等以可注射形式的脫細胞小腸黏膜為注射材料，將其注射入心肌梗死的裸鼠病灶內。研究顯示其心室壁的機械性能顯著改善，實驗組左心室面積變化指數高於對照組[(31.5±0.8)%比(24.1±1.9)%, P<>
Seif-Naraghi等研究顯示心肌梗死動物模型使用可注射水凝膠3個月後心功能改善。與對照組相比，實驗組LVEF增加，收縮末期容積增大，而舒張末期容積縮小。脫細胞材料具有良好的生物相容性。作為一種新的細胞研究平臺和治療材料，脫細胞心臟基質水凝膠也很快展現了其應用前景。
動物實驗表明可注射水凝膠材料可改善心肌梗死後左心室重構過程。Frey等首次將生物可吸收支架材料應用于ST段抬高型心肌梗死(STEMI)患者。研究者選取27例已成功實行血運重建術的中至重度STEMI患者，並將2 ml含1%藻酸鈉及0.3%葡萄糖酸鈣的水凝膠選擇性地注入梗死相關冠狀動脈。
利用梗死區域的滲漏交聯成凝膠，並形成一個生物可吸收的心臟支架。注射3 min後行冠狀動脈造影以確定其不影響冠狀動脈血流及心肌灌注。結果表明注射材料並未導致患者額外的心肌損傷以及心肌損傷標記物重新升高。
對患者6個月的隨訪觀察並未發現嚴重不良反應、心律失常、血液異常及死亡。經超聲心動圖證實患者左心室指數和LVEF保留較好。
Rao等進一步開展了PRESERVATION Ⅰ試驗。這是一個前瞻性、隨機、雙盲對照研究，探索冠狀動脈內應用可吸收材料對阻止STEMI後心室重構的安全性及有效性。
研究者經冠狀動脈將4 ml可吸收心臟基質應用于已成功進行血運重建的心肌梗死患者。經6個月的隨訪觀察，主要觀察終點是左心室舒張末期容量指數的變化，次要觀察指標包括患者的臨床評估、生活品質及心功能測量。試驗的結果將為可注射材料在冠心病患者中的臨床應用提供重要依據。
（未完待續）
參考文獻【略】
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並限制梗死後細胞重塑。目前已有報導稱將利用人類胚胎幹細胞來源的心臟祖細胞構建心臟補片並用於心肌梗死後嚴重心力衰竭的患者的治療。研究者將誘導分化後的細胞接種於纖維蛋白支架，手術移植於1例心肌梗死後嚴重心力衰竭患者心肌梗死區域內。
3個月後患者臨床症狀改善，紐約心臟協會(NYHA)心功能由Ⅲ級變為Ⅰ級，左心室射血分數(LVEF)由術前的26%提升至36%。心臟超聲檢查顯示之前心肌梗死後不能觀察到心肌運動的區域在移植心臟補片後觀察到新的運動。
此外患者未見明顯心律失常、腫瘤形成及免疫排斥相關的不良反應及併發症。雖然不能依此給予療效的肯定結論，但患者心功能的改善依然令人鼓舞，體現出利用組織工程的原理構建心臟補片對冠心病患者治療的可行性。
二、可注射化心肌組織
可注射化心肌組織同樣是目前研究的熱點。理論上于梗死後變薄的心室壁處注射生物材料可減小心室壁壓力，延緩心肌梗死後的病理性重構，從而改善心功能。此外注射入病灶內的生物材料可刺激內源性修復，進而調節心肌梗死後的疾病進展。
通過在病灶注射生物材料，不但可為梗死後變薄的心室壁提供結構支援、改善瘢痕區域順應性，而且可為後續的其他治療策略提供平臺。目前多種生物材料已被用於相關研究。
1.注射方法：
注射水凝膠的具體方法目前主要有心內膜注射、經冠狀動脈及心外膜注射。經心內膜或心外膜的方法主要是通過在病灶區域直接注射生物材料。而經冠狀動脈注射法是利用病灶區域脈管系統的滲漏使液態材料擴散入組織內，而避免直接穿刺。
導管技術已被應用于向病灶注射材料。對比其他侵入性方法，導管策略以其更便捷的方式能減小對患者的損傷，縮短修復時間。但導管技術在為臨床應用提供便利的同時也提高了對材料的要求，增加了設計難度。
2.材料的選擇：
目前研究較多的可注射材料主要有天然可注射水凝膠、人工合成可注射水凝膠及脫細胞材料。其中天然可注射水凝膠主要有纖維蛋白、膠原、基質膠、藻酸鹽、透明質酸、殼聚糖及角蛋白等。多種人工材料已被研究用於治療心肌梗死。如合成材料聚二醇及聚異丙基丙烯醯胺。
近年來通過脫細胞的方法製備的天然支架材料在組織工程研究領域應用廣泛。機體各組織有自己獨特的細胞外基質組分，包括各種纖維蛋白、蛋白聚糖及黏多糖等組分。而脫細胞材料是經特殊處理後，去除細胞組分，保留細胞外基質。因此脫細胞材料更接近靶器官或組織的天然結構成分，減小免疫排斥反應的同時更好地發揮修復作用。
Okada等以可注射形式的脫細胞小腸黏膜為注射材料，將其注射入心肌梗死的裸鼠病灶內。研究顯示其心室壁的機械性能顯著改善，實驗組左心室面積變化指數高於對照組[(31.5±0.8)%比(24.1±1.9)%, P<>
Seif-Naraghi等研究顯示心肌梗死動物模型使用可注射水凝膠3個月後心功能改善。與對照組相比，實驗組LVEF增加，收縮末期容積增大，而舒張末期容積縮小。脫細胞材料具有良好的生物相容性。作為一種新的細胞研究平臺和治療材料，脫細胞心臟基質水凝膠也很快展現了其應用前景。
動物實驗表明可注射水凝膠材料可改善心肌梗死後左心室重構過程。Frey等首次將生物可吸收支架材料應用于ST段抬高型心肌梗死(STEMI)患者。研究者選取27例已成功實行血運重建術的中至重度STEMI患者，並將2 ml含1%藻酸鈉及0.3%葡萄糖酸鈣的水凝膠選擇性地注入梗死相關冠狀動脈。
利用梗死區域的滲漏交聯成凝膠，並形成一個生物可吸收的心臟支架。注射3 min後行冠狀動脈造影以確定其不影響冠狀動脈血流及心肌灌注。結果表明注射材料並未導致患者額外的心肌損傷以及心肌損傷標記物重新升高。
對患者6個月的隨訪觀察並未發現嚴重不良反應、心律失常、血液異常及死亡。經超聲心動圖證實患者左心室指數和LVEF保留較好。
Rao等進一步開展了PRESERVATION Ⅰ試驗。這是一個前瞻性、隨機、雙盲對照研究，探索冠狀動脈內應用可吸收材料對阻止STEMI後心室重構的安全性及有效性。
研究者經冠狀動脈將4 ml可吸收心臟基質應用于已成功進行血運重建的心肌梗死患者。經6個月的隨訪觀察，主要觀察終點是左心室舒張末期容量指數的變化，次要觀察指標包括患者的臨床評估、生活品質及心功能測量。試驗的結果將為可注射材料在冠心病患者中的臨床應用提供重要依據。
（未完待續）
參考文獻【略】
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