罗捷思博士等首次使用人类诱导多能干细胞成功制备出高机械强度组织工程血管移植物

心血管疾病或血液透析的临床治疗迫切需要具有高机械强度(advanced mechanical strength)的血管移植物。虽然自体血管(如大隐静脉)或合成材料血管移植物被用于临床,但由于患者自身健康状况,自体血管往往无法用于移植,同时合成材料有导致血栓和感染的潜在风险。相比之下,组织工程血管移植物(tissue engineered vascular graft, TEVG则展现出较高的应用前景。通过将人类的原代血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells, VSMCs,接种在可降解材料制成的管状支架上,科研人员已经可以制备出机械强度接近人类动脉的TEVG,而且这些TEVG中的细胞成分可被洗脱掉,利于低温保存【1】

 

迄今为止,此类去细胞化的大口径TEVG已被用作动静脉瘘,在血液透析临床试验中取得了可喜的结果【2】。然而,需要血管移植物进行治疗的患者,尤其是用于血管旁路搭桥或血管修复的患者(如冠状动脉搭桥手术或外周动脉修复),大多是高龄人群或患有严重影响血管功能的疾病(如糖尿病),往往其血管重塑能力较差。他们的血管细胞可能无法在去细胞化的TEVG中生长,并很难将这段血管移植物重塑为身体的一部分。同时,这些患者也无法使用含有细胞的TEVG,因为人们难以从患者自身提取血管平滑肌细胞制备TEVG,更不可能移植含有其他人类供体细胞的TEVG(有免疫原性)。因此,利用人类原代平滑肌细胞制作的TEVG很可能无法为相当数量的患者群体给予有效的治疗。

 

然而,人类诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cell),即iPS细胞,可从根本上解决血管组织工程的上述挑战。iPS细胞可通过体细胞重编程获得,并具有自我更新,体细胞分化的能力,与人类胚胎干细胞高度相似。这样则可以通过体外分化,从iPS细胞获得大量功能健全的血管平滑肌细胞,并应用于制备TEVG。更为重要的是,近年的研究证明,可以通过操控人类白细胞抗原(human leukocyte antigen, HLA的表达以降低细胞的免疫原性,制作免疫兼容的“通用”人类iPS细胞 (universalhiPSC)【3,4】,这将从理论上使制作无免疫原型的血管移植物成为可能。因此,利用“通用”人类iPSC大规模获取血管平滑肌细胞,用于制作TEVG,可为血管重塑能力具有缺陷的患者提供及时可用的血管移植物。然而,使用人类iPS细胞制作的TEVG(humaniPSC-derived TEVG, hiPSC-TEVG却长期受限于机械强度过弱,导致其移植入大鼠腹主动脉移后产生严重扩张,因此无法用于临床治疗【5】因此,提升组织的机械强度,是目前hiPSC-TEVG制作的重大难题。

 

2020年1月16日,耶鲁大学Yibing Qyang教授团队罗捷思博士为第一作者)Cell Stem Cell杂志上发表文章Tissue-Engineered Vascular Grafts with Advanced Mechanical Strength from Human iPSCs首次通过组织工程手段,利用由人类iPS细胞分化获得的血管平滑肌细胞,成功制成具有高机械强度的血管移植物。

 

研究人员改进了人类iPS细胞的分化方法,可在30天内由4.5x106个iPS细胞获得约180×106个平滑肌细胞。由于胶原蛋白(collagen)的胞外积累是提升组织机械强度的关键,研究人员改进了组织工程培养液的生长因子成分,使细胞更有效的合成胶原蛋白。研究人员将iPS细胞分化而来的血管平滑肌种植在一种称为聚羟基乙酸(polyglycolicacid,PGA的生物可降解支架上,在生物反应器(bioreactor)中连续进行8个星期的培养,以制备内径3mm的hiPSC-TEVG。由于拉伸细胞可以促进其胶原蛋白的分泌积累,于是研究人员在培养过程中通过蠕动泵向TEVG的管腔施加脉动式的径向伸展力。结果表明对支架和细胞施加的径向伸展幅度(strain)渐进地在3个星期内由0%提升至3%。而且,研究人员还发现,当脉动径向应力的频率被限制在每分钟110-120次时,组织工程血管的机械性能会显著提高。通过上述方法,研究人员制备了hiPSC-TEVG,其力学强度接近在临床上常用于冠状动脉搭桥手术的人类大隐静脉。结果也表明hiPSC-TEVG内部积累了大量的胶原蛋白,其中的细胞也表达α-SMA,MYH11等典型的血管平滑肌标记物。

 

然后,研究人员将hiPSC-TEVG植入裸鼠(nude rat)体内30天,以测试其作为血管移植物的功能表现。hiPSC-TEVG作为间置血管移植物,替换了7-10mm的肾下腹主动脉。在此期间,hiPSC-TEVG均保持通畅,无扩张、延长等明显的形变,也未形成畸胎瘤。四周后,从体内分离出hiPSC-TEVG仍含有大量的胶原蛋白,且其中的人源细胞仍有α-SMA,MYH11等血管平滑肌标记物的表达。这说明hiPSC-TEVG具有足够高的机械强度以适应主动脉的血液动力环境。

 

总之,这项研究首次利用人类iPS细胞与可降解生物材料,力学刺激等组织工程手段,制备出了具有高力学强度的血管移植物。该研究成果为大规模生产无免疫原性的“通用”血管移植物的制造提供了基础,并将提升未来TEVG的制备效率与临床使用范围。同时,该研究也将为基于人类“通用”iPS细胞的组织工程研究打开了大门,促进干细胞再生医学的发展。

 

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.stem.2019.12.012

[1] Dahl SL, Kypson AP, Lawson JH, Blum JL, Strader JT, Li Y,et al. Readily available tissue-engineered vascular grafts. Sci Transl Med2011;3:68ra9.

[2] Lawson JH, Glickman MH, Ilzecki M, JakimowiczT, Jaroszynski A, Peden EK, et al. Bioengineered human acellular vessels fordialysis access in patients with end-stage renal disease: two phase 2single-arm trials. Lancet 2016;387:2026-34.

[3] Deuse T, Hu X, Gravina A, Wang D, TediashviliG, De C, et al. Hypoimmunogenic derivatives of induced pluripotent stem cellsevade immune rejection in fully immunocompetent allogeneic recipients. Nat Biotechnol 2019;37:252-8.

[4] Xu H, Wang B, Ono M, Kagita A, Fujii K,Sasakawa N, et al. Targeted Disruption of HLA Genes via CRISPR-Cas9 GeneratesiPSCs with Enhanced Immune Compatibility. Cell Stem Cell 2019;24:566-78 e7.

[5] Gui L, Dash BC, Luo J, Qin L, Zhao L, Yamamoto K, et al. Implantabletissue-engineered blood vessels from human induced pluripotent stem cells.Biomaterials 2016;102:120-9.

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