罗捷思博士等首次人类干细胞制备血管移植物
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）在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180x106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
参考文献
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