利用组织工程恢复心脏功能

Richard D. Weisel

工程（英文） ›› 2022, Vol. 13 ›› Issue (6) : 13 -17.

工程（英文） ›› 2022, Vol. 13 ›› Issue (6) : 13 -17. DOI: 10.1016/j.eng.2021.06.013

利用组织工程恢复心脏功能

作者信息 +

Tissue Engineering to Restore Cardiac Function

Author information +
文章历史 +

引用本文

引用格式 ▾
Richard D. Weisel. 利用组织工程恢复心脏功能[J]. 工程（英文）, 2022, 13(6): 13-17 DOI:10.1016/j.eng.2021.06.013

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

1、 引言

心脏手术的目的是使受伤的心脏恢复全部功能。对于许多先天性心脏缺陷，适当的修复能够建立几乎正常的心脏功能。这种修复的一个例子是闭合幼儿心脏腔室之间的异常孔，这通常会恢复其正常功能，并持续一生。然而，缺血性心脏病外科手术的出现给心脏外科医生带来了新的挑战。患有弥漫性动脉粥样硬化（动脉硬化）的老年患者经常出现向心肌供血的动脉阻塞，导致心脏病发作（心肌梗死）。收缩性心肌细胞的损失会降低心脏的功能能力。这种初始损伤经常因心脏的进行性变化而复杂化，导致受损区域变薄和心腔扩张，最终导致心力衰竭的进展，心力衰竭是全世界因心血管疾病而死亡和残疾的最常见原因。心脏外科医生经常进行冠状动脉搭桥手术，以在严重的冠状动脉狭窄或闭塞后提供新的血流，从而缓解胸痛（心绞痛），但不一定能恢复心脏功能。因此，寻找有效的治疗方法来预防或纠正心脏病发作（缺血性心肌病）患者的心力衰竭已成为心脏外科医生的崇高追求。

心脏组织工程采用工程概念来改变受伤心脏的反应，以恢复心脏功能。尽管并非所有研究人员都接受心脏组织工程的这一定义，但它包含了修复技术的本质。Vunjak-Novakovic博士[1]在《胸心血管外科杂志》的一篇社论中定义了心脏组织工程：

组织工程学正式成立至今已近30年，该学科旨在提供“工程和生命科学原理和方法的应用，以从根本上了解正常和病理哺乳动物组织中的结构-功能关系以及开发生物替代品恢复、维持或改善组织功能”。

修复方法通常采用可生物降解的生物材料，目的是改善梗死疤痕和由此产生的心脏组织的愈合[1]。与功能恢复相关的机制包括刺激新血管生成、基质重塑和募集内源性干细胞以改善组织愈合和恢复功能。心脏组织工程经常采用细胞移植[2]，插入生物材料[3]，和（或）应用细胞因子或细胞产物[4‒5]。心脏功能的恢复不仅取决于可收缩成分的数量，还取决于心室容积的改变和受损心脏壁的弹性特征[2‒4]。

心脏外科医生和心脏研究人员已经开发出多种治疗缺血性心肌病的组织工程方法。这些临床前研究旨在评估新的潜在疗法，然后在随机临床试验中探索其临床效益[6‒7]。

心脏组织工程领域广阔，超出了本文的范围。下面介绍我们以前研究中的一些受损心脏的外科心脏组织工程的例子。

2、 替代功能丧失的心肌细胞

我们最初的方法是用新生动物心肌细胞替代冠状动脉闭塞后缺失的心肌细胞[8]。细胞移植将跳动的心肌细胞移植到梗死区域，使心脏功能暂时得到改善。然而，移植是短暂的，并且跳动的细胞没有随着心脏收缩同步跳动。大多数关于心脏干细胞移植的研究都使用了骨髓来源的干细胞。虽然这些细胞不提供新的收缩成分，但动物研究表明它们可改善心脏功能[2,4]；然而，在临床试验中，这种益处一直是微不足道的[6‒7]。研究证实，骨髓来源的干细胞释放的不是收缩成分，而是各种刺激内源性修复机制的物质，导致新血管形成（血管生成）、支架修复（基质修复）和骨髓来源的干细胞募集到损伤区域[2]。结果是减少了梗死区域的变薄和扩张，并预防了进行性心力衰竭。心脏功能的改善是心脏损伤环境改变的结果。遗憾的是，与临床前动物研究相比，临床试验发现细胞移植对患者的益处较小。最近的研究表明，来自人类胚胎干细胞的跳动心肌细胞可以改善非人灵长类动物模型中的心脏功能。然而，研究还表明，显著异常的额外跳动（心律失常）限制了心脏功能的恢复[9]。

3、 细胞移植预防心力衰竭

大量的临床试验表明，细胞移植是可行的，并可能具有边际效益；然而，临床试验中的心室功能并未达到动物实验中相同的程度。在临床试验中对细胞移植的有限益处的各种解释中，最合理的是在患有多种合并症且患有心肌梗死的老年患者中，其细胞效力降低和内源性修复机制减弱[2,10]。细胞移植通过增强内源性修复机制来增强心室功能的恢复。然而，患有广泛动脉粥样硬化的老年患者通常还患有糖尿病、肥胖症和高血压，这会降低其干细胞的效力及其内源性心脏修复反应。因此，许多临床试验试图增强移植细胞的能力以增强内源性修复过程[11‒12]。

我们选择了高效干细胞，希望它们能够改善在接受冠状动脉旁路移植术（IMPACT CABG）试验的患者中移植自体CD133+干细胞时患有多种并发症的老年受试者的心室功能恢复[7]。41名心肌梗死后心室功能障碍患者被随机分配，在冠状动脉旁路移植术期间将来自其自身骨髓的高效CD133+干细胞或外观相似的安慰剂注射到其心脏的梗死区域。图1 [6]显示了细胞或安慰剂的注射。所有患者在术前和术后6个月都进行了心脏磁共振成像以量化心脏功能，两组之间没有发现差异。我们发现采集骨髓细胞、分离高效干细胞部分成分并将这些细胞注入梗死区域是可行的。然而，心脏功能并没有得到改善。为了确定这种方法在干细胞治疗中的潜在价值，计划进行一项涉及更多患者和更多细胞注射的更大规模试验。

图1 冠状动脉旁路移植术中梗死区域干细胞的注射。经美国胸外科协会允许，转载自参考文献[6]，©2016。

在另一项试验中，我们使用了一种不同类型的高效干细胞，该干细胞被注入心脏以充分改善心室功能，从而脱离左心室辅助装置的支持[13]。北美的19个研究点参与了这项随机试验。所有患者都依赖两种经批准的左心室辅助装置（图2）[13]中的一种来支持他们衰竭的心脏。如果这些患者的心脏功能没有改善到足以脱离该装置，则这些患者将需要进行心脏移植。本试验将高效的间充质前体干细胞（异体细胞）注入心脏，目的是充分改善心室功能，以便脱离辅助装置。该试验招募了159名使用设备的患者，并被随机分配接受干细胞或安慰剂治疗。在注射后的6个月内，每位患者都经历了多次临时尝试以脱离辅助装置。两组之间在脱离该装置的能力方面没有发现差异，注射干细胞后也没有发现不良事件增加。同样，尽管这项试验证明干细胞注射是可行的，但治疗效果不佳。然而，对这些干细胞效果进行评估发现，缺血性心肌病亚组明显好于非缺血性心肌病亚组。这种次级（但预先指定的）亚组分析足以产生支持进一步研究的假设。在未来的试验中，将在缺血性心肌病患者中使用更高剂量的干细胞。

图2 间充质前体细胞试验中使用的两种左心室辅助装置，用于充分改善心室功能，以脱离辅助装置。（a）研究装置——离心流装置（HeartWare，美国Medtronic制造）；（b）控制装置——轴流式装置（HeartMate II，美国Abbott制造）。经马萨诸塞州医学会许可，转载自参考文献[13]，©2017。

4、 组织工程恢复心室功能

为预防进行性心力衰竭而开发的再生疗法的浪潮激发了许多独特的治疗方法。不仅细胞，而且组织工程构建体也被证明可以防止梗死变薄和心室扩张以保护心室功能。开发心脏约束装置是为了防止梗死后左心室扩张。例如，Acorn（美国）装置由针织聚酯织物组成，放置在左心室周围，以限制梗死区域并防止扩张[14]。然而，最初的临床试验尚无定论，并且该装置不再用于临床研究。

较新的方法包括将生物材料注射到左心室的梗死区域以“支撑”心室壁并防止扩张。注射的生物材料的生物效应已经被广泛研究并且是实质性的[15]。对这种方法在各种动物模型和临床试验中进行了评估[16]。然而，没有一种单一的方法被证明是一致有效的，也没有生物材料作为治疗剂被释放出来。最初的临床试验尚无定论，尽管一些研究表明生物材料改变了基质重塑并有利地改善了梗死区域的愈合[17]。除了生物材料，添加缓释细胞因子（即改变愈合的蛋白质）被发现可以增强新血管形成（血管生成）并诱导内源性修复机制的募集[3‒4]。除了支撑心室壁，还发现注射生物材料可以增强细胞移植[5]。因此，生物材料、细胞和细胞因子的组合可能被证明是非常有效的。

我们对生物材料的一项研究促进了对温度敏感且可生物降解的脂肪族聚酯水凝胶的开发，该水凝胶在室温下为液体，但在体温（37 ℃）下呈现类似于明胶的稠度（图3）[3]。我们还将水凝胶与一种有助于血管生成的特征明确的细胞因子结合，即血管内皮生长因子（VEGF），它在延迟释放后有助于血管生成。在大鼠模型中冠状动脉结扎后7天，将这些水凝胶（有和没有结合VEGF）注射到梗死区域。42天后，两个治疗组都表现出改善的心室功能，其中用细胞因子增强的水凝胶功能恢复最好。这项研究表明，生物材料提供了一种有吸引力的方法来改善心肌梗死后的心肌功能。然而，监管障碍是巨大的，因为监管机构不仅要求描述材料的所有分解产物，还要求记录每个分解产物的生物影响。

图3 一种由温度敏感的脂肪族聚酯水凝胶组成的可注射支架，与血管内皮生长因子结合，可促进心肌梗死后心室功能的恢复。（a）水凝胶在室温下是液体，在37 ℃下是凝胶；（b）电子显微照片说明水凝胶具有蜂窝状结构，孔径约为1 μm。经Elsevier许可，转载自参考文献[3]，©2011。

尽管生物材料可以诱导生理效应，并且可以富含共轭细胞因子，但组织工程可以包括支架和细胞成分。细胞在心肌中的移植非常有限，但是细胞和水凝胶的混合物使细胞移植得到改善[4]。

5、 外科心脏修复和再生

在一项大型多中心随机试验中研究了一种在广泛心肌梗死后通过手术恢复心室功能的方法[18]。该程序包括在梗死后切除成熟疤痕，并用Dacron（美国）补片重建心室，以将心室缩小至正常大小和几何形状。遗憾的是，大型临床试验结果显示疗效不佳。然而，许多外科医生声称只有心室过度扩张的患者才能从该手术中获益。外科医生还建议，一些患者在没有达到必要的心脏扩张的情况下进入试验，导致无法受益。一些外科医生继续在合适的患者中执行这种手术。

我们在Toronto的研究小组使用可生物降解的改性明胶海绵（MGF）补片，单独使用水凝胶，或使用接种有干细胞和（或）细胞因子的水凝胶，在大鼠模型中评估了外科心室修复（图4）[19]。在对照组中，与补片相邻的心肌变薄并扩张，导致心脏功能下降。细胞和细胞因子都改善了心室功能的恢复，生物材料、细胞因子和细胞的组合导致心室功能的最大恢复。这些研究表明，结合材料和生物专业知识的组织工程可以为心室修复创造最佳选择。

图4 用细胞和细胞因子进行外科心室修复，以用MGF贴片恢复受损心脏的功能，单独使用水凝胶或水凝胶与细胞和（或）细胞因子相结合。LAD：左前降支；LV：左心室；PCL：聚ε-己内酯；GF：凝胶；BZ：边界区；HG：水凝胶；CY：细胞因子悬浮在水凝胶中；CE：骨髓干细胞悬浮在水凝胶中；CC：细胞和细胞因子悬浮在水凝胶中。经Elsevier Ltd.许可，转载自参考文献[19]，©2010。

6、 心脏组织工程的未来

心肌梗死后心室功能的恢复仍然是心脏外科医生难以实现的目标。我们的研究表明，注射更高剂量的自体CD133+细胞可能会改善心室功能的恢复。我们的研究还表明，注射更高剂量的间充质前体细胞可能对需要左心室辅助装置来维持循环的缺血性心肌病患者有益。在梗死区域的心外膜中添加生物材料、细胞和细胞因子的组合在心脏手术期间被证明可能是有益的。这些临床试验正在讨论中，以便将来实施。

组织工程将材料方面的工程专业知识与损伤后恢复心脏功能所需的生物过程知识相结合。然而，上述研究和文献缺乏对心脏电激活的理解。因为致密的梗死疤痕对电传播的传导性低于正常心肌，所以电激活延迟并且收缩变得不同步，导致梗死后心室功能降低。在多伦多，Ren-Ke Li教授一直在研究各种旨在增强电传播的生物材料[20‒21]。在生物材料中集成导电组件可增强同步收缩并恢复心室功能。因此，组织工程构建体的生物学效应及其电生理学特性决定了可以实现的有益效果。

7、 总结

组织工程是利用支架和生物元件来改变愈合过程。了解工程概念和生物过程，可以将工程与生物学结合起来恢复正常的心脏功能。将工程专业知识与对生理学的医学理解相结合，为我们的患者提供了最佳选择。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Vunjak-Novakovic G. Tissue engineering of the heart: an evolving paradigm. J Thorac Cardiovasc Surg 2017;153(3):593‒5.
[2]

Li SH, Sun Z, Brunt KR, Shi X, Chen MS, Weisel RD, et al. Reconstitution of aged bone marrow with young cells repopulates cardiac-resident bone marrow- derived progenitor cells and prevents cardiac dysfunction after a myocardial infarction. Eur Heart J 2013;34(15):1157‒67.
[3]

Wu J, Zeng F, Huang XP, Chung JY, Konecny F, Weisel RD, et al. Infarct stabilization and cardiac repair with a VEGF-conjugated, injectable hydrogel. Biomaterials 2011;32(2):579‒86.
[4]

Kang K, Sun Lu, Xiao Y, Li SH, Wu J, Guo J, et al. Aged human cells rejuvenated by cytokine enhancement of biomaterials for surgical ventricular restoration. J Am Coll Cardiol 2012;60(21):2237‒49.
[5]

Alibhai FJ, Tobin SW, Yeganeh A, Weisel RD, Li RK. Emerging roles of extracellular vesicles in cardiac repair and rejuvenation. Am J Physiol Heart Circ Physiol 2018;315(4):H733‒44.
[6]

Noiseux N, Mansour S, Weisel R, Stevens LM, Der Sarkissian S, Tsang K, et al. The IMPACT-CABG trial: a multicenter, randomized clinical trial of CD133+ stem cell therapy during coronary artery bypass grafting for ischemic cardiomyopathy. J Thorac Cardiovasc Surg 2016;152(6):1582‒8.e2.
[7]

Yau TM, Pagani FD, Mancini DM, Chang HL, Lala A, Woo YJ, et al. the Cardiothoracic Surgical Trials Network. Intramyocardial injection of mesenchymal precursor cells and successful temporary weaning from left ventricular assist device support in patients with advanced heart failure: a randomized clinical trial. JAMA 2019;321(12):1176.
[8]

Li RK, Mickle DAG, Weisel RD, Zhang Ji, Mohabeer MK. In vivo survival and function of transplanted rat cardiomyocytes. Circ Res 1996;78(2):283‒8.
[9]

Romagnuolo R, Masoudpour H, Porta-Sánchez A, Qiang B, Barry J, Laskary A, et al. Human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes regenerate the infarcted pig heart but induce ventricular tachyarrhythmias. Stem Cell Rep 2019;12(5):967‒81.
[10]

Brunt KR, Zhang Y, Mihic A, Li M, Li SH, Xue P, et al. Role of WNT/b-catenin signaling in rejuvenating myogenic differentiation of aged mesenchymal stem cells from cardiac patients. Am J Pathol 2012;‍181(6):2067‒78.
[11]

Nasseri BA, Ebell W, Dandel M, Kukucka M, Gebker R, Doltra A, et al. Autologous CD133+ bone marrow cells and bypass grafting for regeneration of ischaemic myocardium: the Cardio133 trial. Eur Heart J 2014;35(19):1263‒74.
[12]

See F, Seki T, Psaltis PJ, Sondermeijer HP, Gronthos S, Zannettino AC, et al. Therapeutic effects of human STRO-3-selected mesenchymal precursor cells and their soluble factors in experimental myocardial ischemia. J Cell Mol Med 2011;15(10):2117‒29.
[13]

Rogers JG, Pagani FD, Tatooles AJ, Bhat G, Slaughter MS, Birks EJ, et al. Intrapericardial left ventricular assist device for advanced heart failure. N Engl J Med 2017;376(5):451‒60.
[14]

Kelley ST, Malekan R, Gorman JH, Jackson BM, Gorman RC, Suzuki Y, et al. Restraining infarct expansion preserves left ventricular geometry and function after acute anteroapical infarction. Circulation 1999;99(1):135‒42.
[15]

Wassenaar JW, Gaetani R, Garcia JJ, Braden RL, Luo CG, Huang D, et al. Evidence for mechanisms underlying the functional benefits of a myocardial matrix hydrogel for post-MI treatment. J Am Coll Cardiol 2016;67(9):1074‒86.
[16]

He X, Wang Q, Zhao Y, Zhang H, Wang B, Pan J, et al. Effect of intramyocardial grafting collagen scaffold with mesenchymal stromal cells in patients with chronic ischemic heart disease: a randomized clinical trial. JAMA Netw Open 2020;3(9):e2016236.
[17]

Davis ME, Motion JPM, Narmoneva DA, Takahashi T, Hakuno D, Kamm RD, et al. Injectable self-assembling peptide nanofibers create intramyocardial microenvironments for endothelial cells. Circulation 2005;111(4):442‒50.
[18]

Jones RH, Velazquez EJ, Michler RE, Sopko G, Oh JK, O’Connor CM, et al.; the STICH Hypothesis 2 Investigators. Coronary bypass surgery with or without surgical ventricular reconstruction. N Engl J Med 2009;360(17):1705‒17.
[19]

Miyagi Y, Zeng F, Huang XP, Foltz WD, Wu J, Mihic A, et al. Surgical ventricular restoration with a cell- and cytokine-seeded biodegradable scaffold. Biomaterials 2010;31(30):7684‒94.
[20]

Mihic A, Cui Z, Wu J, Vlacic G, Miyagi Y, Li SH, et al. A conductive polymer hydrogel supports cell electrical signaling and improves cardiac function after implantation into myocardial infarct. Circulation 2015;132(8):772‒84.
[21]

Zhang C, Hsieh MH, Wu SY, Li SH, Wu J, Liu SM, et al. A self-doping conductive polymer hydrogel that can restore electrical impulse propagation at myocardial infarct to prevent cardiac arrhythmia and preserve ventricular function. Biomaterials 2020;231:119672.

基金资助

()

AI Summary AI Mindmap

4244

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉