生物工程静脉瓣膜的研究进展

原创于 2025-10-17 16:02:40 发布 · 324 阅读

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#静脉瓣膜 #生物工程 #血栓形成 #组织工程 #慢性静脉疾病

用于静脉循环的生物工程瓣膜

1. 引言

1.1. 慢性静脉疾病 – 问题所在

慢性静脉疾病是一种常见的血管系统疾病，导致了巨大的全球疾病负担（1）。这种血管病理的重要性直接与全球受累患者的高数量相关，尤其是在其更严重的表现形式下，还会造成日益增加的社会经济负担（1‐2）。通常，“慢性静脉疾病”（CVD）由静脉回流受损引起，从而产生典型的临床表现。CVD的概念涵盖了所有可归因于病理性静脉回流——或从生理学角度更准确地说——由慢性直立性静脉高压所引起的下肢症状和改变：静脉性水肿、由于静脉淤血引起的不适和疼痛、淤积性皮炎、皮肤脂质硬化（筋膜）、静脉性白斑萎缩以及静脉性下肢溃疡（3）。这些溃疡通常预后较差，复发性溃疡是常见并发症（1,4）。根据Scott等人报告，超过50%的静脉性溃疡患者需要持续一年以上的长期治疗（1,5）。慢性直立性静脉高压定义为：当站立时外周静脉压（在足部静脉处通过侵入性方式测量）约为100毫米汞柱，而在行走或体力活动时无法将其降低至约30毫米汞柱（6）。有症状的CVD可由静脉瓣膜功能不全、静脉阻塞和/或小腿肌肉泵功能障碍引起，后者又依赖于正常的肌肉和关节活动度及活动能力。在这两个维持正常静脉回流的生理因素中，静脉瓣膜功能不全是导致CVD最常见的病理机制（1）。CVD中的瓣膜功能不全可能是由于先天性瓣膜功能不全，或瓣膜结构的直接损伤所致，例如血栓事件后和/或静脉壁炎症性改变。

因此，后者也被称为“血栓后”（或“血栓后”）综合征，对应于深静脉血栓形成（DVT）及静脉炎导致柔韧的瓣膜组织破坏后的症状性慢性静脉疾病（1,4）。

1.2. 慢性静脉功能不全 – 全球负担

大约一半的慢性静脉疾病患者表现为浅静脉反流（主要位于大隐或小隐静脉），另一半患者则表现为深静脉或深浅静脉联合功能不全。通常可通过治疗消除浅表功能不全静脉，但截至目前，尚无有效的治疗方法可用于功能不全的深静脉瓣膜 (1,4,7)。

根据爱丁堡静脉研究，慢性静脉疾病的患病率在普通人群中为6.6%‐9.4%。然而，当聚焦于50岁以上人群时，总体患病率上升至超过20%，明显表明这种常见结构性血管疾病的重要性（8）。

相比之下，另一项基于大规模人群的研究——弗雷明汉研究——报告女性静脉曲张的年发病率为2.6%，男性为1.9%（9）。除了晚期慢性静脉疾病严重影响生活质量外，据估计，慢性静脉疾病约占工业化国家卫生支出的1%。因此，有效修复功能不全的（深）静脉瓣膜的方法将对医疗系统带来重大益处（10）。

2. 静脉瓣膜功能不全 – 当前治疗策略

只要深静脉瓣膜的直接修复尚不可行，加压治疗便是慢性静脉疾病治疗的主要手段（11‐12）。此外，对于浅静脉功能不全，结扎隐股交界处并剥脱大隐静脉的外科手术曾是标准治疗方法（1,11）。

近年来，基于激光或射频的静脉闭塞术等血管内技术已在特定患者群体中得到更广泛的应用。深静脉反流与阻塞的合并存在会导致

慢性静脉疾病（CVD）最严重的形式。从力学角度来看，带有功能正常瓣膜的静脉支架可能是解决该问题的一种方案。对于患有三尖瓣关闭不全的特定患者群体，腔静脉瓣植入已显示出初步的临床成功（13）。然而，在下肢静脉瓣膜的应用中，由于合成装置具有较高的血栓形成性，且常需应用于存在功能性血栓形成倾向的个体，因此至今尚未取得突破。即使是裸静脉支架，也仅在一个血管区域可安全应用，因而获得了更广泛的接受，即髂静脉，尤其是在慢性血栓性闭塞或梅‐特纳综合征的情况下。基于支架的血管重建术也越来越多地用于其他较少见的静脉功能不全病因，例如其他类型的静脉受压综合征，包括帕杰特‐施罗特综合征、胡桃夹综合征和腘静脉受压综合征（14‐15）。然而，腘静脉不太适合进行静脉支架置入，主要原因是膝关节弯曲时产生的机械应力以及血管直径较小。一种生物性的、潜在可为生物工程化的静脉瓣膜假体，若能实现无创植入并释放且不引发明显的血栓形成触发因素，则有望理想地克服这些障碍。上述所有治疗干预措施主要目标均为通过加压治疗实现功能不全静脉的排除，或对阻塞的静脉结构进行再通（参见图1中的静脉瓣组织形态学）。目前所提及的方法均未着眼于病变瓣膜组织的替换，而这一点在心脏瓣膜领域已有成熟应用。

因此，除了介入治疗手段领域的进步外，静脉瓣膜的手术重建也在技术改进方面取得了巨大发展。尽管由于存在更优且创伤更小的消融性腔内治疗选择，外科的手术重建在浅表瓣膜功能不全中并非首选方案，但在特定静脉节段因局部瓣膜功能不全导致的深静脉反流（DVR）情况下，手术性瓣膜重建仍是一项重要的治疗选择（11,16）。此外，除了这些较为成熟的修复性技术外，目前已开始尝试完全替换病变静脉瓣膜的初步研究。

已开展结构研究（参见图2中的经皮经导管静脉瓣膜置换）。

3. 外科修复功能不全的静脉瓣膜：An Overview of today’s technical approaches

非自体瓣膜置换中观察到的免疫和血栓并发症推动了自体瓣膜移植或转位的研究。早期的实验及临床尝试主要集中于隐股瓣膜转位，显示出良好的初步结果。根据马莱蒂和佩林的最新研究，目前针对深静脉反流情况下功能不全的静脉瓣膜已有多种重建（或替换）技术。他们提出，通常以瓣膜成形术方式进行直接瓣膜修复是最优选择。然而，若此方法不可行，则可采用多种瓣膜置换技术（17）：i) 股静脉转位：由基斯特纳等人首次描述（18），该技术旨在将股静脉转移至功能正常的近端大隐静脉部位，从而避开最近端功能不全的股静脉瓣膜。ii) 静脉移植：该方法是将一段具有正常功能的带瓣静脉（最常用的是通过腋静脉转移）植入功能不全的深静脉系统中。iii) 新生瓣膜：该术语描述的是利用患者自身血管组织构建新型基于自体组织的瓣膜的尝试。已有多種方法被报道，例如普拉尼奥尔的（19）或马莱蒂的技术（20）。iv) 非自体人工瓣膜：在心脏瓣膜置换领域，生物假体和机械瓣膜假体的引入彻底改变了心脏瓣膜病的外科治疗，并挽救了数百万人的生命。但在静脉瓣膜置换领域，使用生物假体瓣膜（如冷冻保存瓣膜的异种移植物）所获得的结果至今尚不理想（16）。自20世纪60年代以来，已开展了一系列使用不同类型瓣膜假体的实验和临床试验。这些试验包括使用同种异体、异种来源或合成材料制成的瓣膜以及

单叶、双叶或三叶瓣膜设计（16,21‐25）。早期研究集中于冷冻保存的同种移植物，这是小儿心脏瓣膜置换领域中一种成熟的技术（26）。然而，与心脏瓣膜修复不同，这些初步尝试显示出不良的临床结果，包括移植瓣膜的血栓形成性和排斥反应，导致高发的闭塞（16,23）。帕夫尼克等人报道了在III期临床试验中对少量患者植入BVV‐III 瓣膜系统取得了一定成功。但植入一年后，所有瓣膜均出现功能不全，尽管观察到60%的临床改善（27）。因此，尽管植入后功能表现良好，并采用了延长的抗凝方案，但在长期随访中，血栓形成、新生内膜增生和纤维化转化仍是主要问题（22‐26）。结果表明，高达80‐90%的患者出现瓣膜退变，继而发生功能不全和狭窄，所有测试的假体最终均未能满足常规临床应用的要求（16）。

4. 血管组织工程技术

鉴于上述并发症，理想的静脉置换瓣膜必须具备完全功能（理想的血流动力学特征）、自体来源（无免疫并发症）以及——最重要的是——完全抗血栓形成（无血栓栓塞并发症）。这些先决条件与血管组织工程领域的共同目标高度一致。一般来说，组织工程技术旨在构建基于自体细胞的活体替代结构，具有生长、重塑和再生潜能（28）。当应用于心血管领域时，另一个重要特性是无血栓形成性，从而防止体内血管节段发生狭窄（29）。传统的组织工程概念，也称为体外组织工程方法，涉及自体细胞来源（平滑肌/间充质和内皮细胞）的分离、将这些细胞接种到可生物降解支架基质上、在类似体内流动和压力条件下对支架进行体外调理，以及最终在体内植入前实现内皮化。这些

生物工程血管移植物和瓣膜由位于瓣膜间质以及瓣膜表面（内皮）的自体细胞组成（29）。独立的研究聚焦于在低压循环的肺动脉干位置植入组织工程血管导管，均证明了在体内具有生长适应性（30‐31）。与体外组织工程方法相反，原位组织工程技术旨在患者体内原位形成新生组织。支架将直接接种自体患者细胞，接种细胞的基质随后被植入体内，以在体内进行进一步的原位重塑。内皮化将在植入体内数天或数周后在体内原位发生（29）。

早期的实验研究主要集中在组织工程血管移植物上，并取得了初步成功（30‐31）。此外，已启动了首批临床试验，显示血管移植物在多年内保持功能，尽管血栓形成性一直令人关注（32‐33）。心脏和静脉瓣膜均属于在组织微结构和生物力学方面更为复杂的心血管结构，而且在专注于瓣膜组织工程时，血管化（血管外膜血管）的缺乏构成了特殊挑战。

在心脏瓣膜病领域，多项实验研究表明，在大型动物模型中成功构建了生物工程心脏瓣膜，并实现了长达数月的体内评估（32‐34）。然而，瓣膜组织的缩短和增厚问题备受关注，迄今已阻碍了生物工程瓣膜的临床转化（34‐36）。

5. 静脉瓣膜的组织工程

在首次尝试中，Teebken 等人将同种异体绵羊（颈静脉）静脉进行去细胞化处理，作为供体基质，随后用受体肌成纤维细胞（MFB）和内皮细胞（EC）重新接种。这些组织工程移植物被植入外颈静脉位置，并通过双功能超声和静脉造影进行评估。除12周后的两个组织工程移植物外，其余瓣膜在双功能超声检查中均显示功能良好。然而，组织

工程化移植物显示出炎症反应，并且由于与移植物基底相关的新内膜形成导致反流（37）。作为下一步，Teebeken 等人将脱氧胆酸钠（SD）和 DNase I 脱细胞技术应用于人类静脉瓣膜组织。同种异体大隐静脉（GSVs）的带瓣膜节段被脱细胞化，并通过三维生物反应器系统进行再内皮化。该方法证明了同种异体细胞重接种技术在人类组织中的可行性（38）。Kuna 等人也证实了这些发现，他们报告成功实现了人脱细胞静脉瓣膜的体外构建以及后续的再细胞化，且未导致功能丧失（39）。袁等人采用类似的同种异体（脱细胞）瓣膜重接种方法，并将瓣膜植入大型动物体内模型。尽管初期表现出类似天然的功能，但慢性随访显示在瓣膜水平出现血栓形成，导致组织工程移植物完全闭塞以及静脉瓣结构不足（40）。这些发现在基于同种异体瓣膜的人体体内试验中也得到证实，长期体内随访后同样出现了血栓形成性和瓣膜功能丧失（16）。

所有已报道的研究都集中在使用同种异体脱细胞组织，并用宿主细胞进行再细胞化。然而，这种方法受到显著限制，因为脱细胞人血管组织的再细胞化仍是争议性讨论的内容，因为在大型临床前动物模型中的报告表明，体外和体内均出现非常有限的再细胞化（和内皮化）（41），这可能是由于天然组织（仍然）成熟的细胞外基质结构阻碍了显著的细胞浸润。

相反，体外组织工程技术已明确证明了这一点。在首次尝试中，韦伯等将体外工程技术应用于为经导管输送而设计的静脉瓣膜尺寸，作为一项概念验证研究的一部分（42）。该研究中的支架设计基于植入绵羊体内的三叶瓣形支架

动物模型也达到了静脉循环中明显的尺寸（43）。支架的设计随后还扩展到了双叶瓣膜设计的水平。该支架接种了由骨髓来源的间充质干细胞分化而来的类平滑肌细胞。在脉动复制生物反应器系统中培养后，工程化新生基质再接种内皮细胞。所生成的组织工程静脉瓣膜（TEVVs）显示出分层的组织形成，并且胶原蛋白和糖胺聚糖水平随着体外培养时间的延长而增加。压接后，在扫描电镜分析、组织学和细胞外基质分析中均未发现对间质细胞水平的影响。然而，在压接过程后检测到显著的内皮细胞丢失，这一问题可通过延长静态培养阶段的时间来减轻（42，参见图3中 TEVVs的大体图像）。

示意图0

示意图1

示意图2

6. 结论

如今，慢性静脉功能不全的治疗不仅取决于功能不全的程度，还取决于其病因以及功能不全瓣膜结构的位置。对于浅静脉功能不全，治疗主要集中在静脉结构的解剖性排除。鉴于最新的腔内技术具有低侵入性和良好效果，目前在受累血管节段中无需重建瓣膜功能。对于主要由血栓后改变引起的深静脉反流，重建瓣膜功能则具有核心意义。对于近端（股部）阻塞性病变，近期支架再通术已取得显著成效，因此瓣膜置换的需求仅限于难治性病例。然而，对于更为远端的功能不全，如血栓后腘静脉瓣膜功能不全，未来瓣膜结构的置换可能提供新的治疗选择。几乎所有关于瓣膜置换的临床和实验研究都集中于使用天然脱细胞组织，这些组织可被再细胞化或直接植入宿主。

(8). 在所有研究中，主要问题（程度不同）是新生内膜增生以及血栓形成性。在组织工程心脏瓣膜中，已有报道指出瓣叶结构的缩短是一个主要限制；然而，迄今为止尚未将血栓形成性列为重大问题。可以推测，由于静脉系统中的低压和缓慢（甚至反向）血流（包括间歇性静脉淤滞），相较于心脏（或动脉）植入物（其具有较高的血流速度和压力，且无类似于静脉系统的淤滞阶段），可能更容易导致血栓并发症。此外，体内试验的经验表明，较小的血管直径（如静脉系统中的情况）可能会进一步促进组织工程血管构建物中的血栓并发症。更重要的是，慢性静脉疾病患者因慢性伤口和淤积性皮炎所导致的慢性炎症状态会引起功能性血栓形成倾向，使这些患者更易发生血栓并发症。因此，防止植入物上的血栓形成对于潜在的静脉瓣膜置换至关重要。鉴于体外内皮化以及组织工程基质相较于天然脱细胞基质具有更高且更快的再细胞化（和再内皮化）能力，基于体外方法的完全生物工程基质可能具有较低的原位血栓形成倾向，但这需要通过进一步的体内研究来验证。此外，未来的研究还必须重点关注细胞化与脱细胞化生物工程静脉瓣膜的直接比较，因为这将提供有关细胞化对原位重塑影响的信息。另外，还需要建立静脉植入物临床前体内评估的新标准，因为目前大多数心血管植入物研究都集中在动脉植入物上。

7. 专家评论

对于深静脉反流，迄今为止已研究了多种专注于缺陷性静脉瓣膜修复或置换的外科方法。尽管其中一些方法已进入临床阶段，但均存在局限性。而基于支架的再通总是不可避免地导致瓣膜组织的缺失，而静脉瓣膜的重建受到缺乏足够替代材料的限制。特别是低流量静脉环境具有高度促血栓形成倾向，这对潜在瓣膜置换植入物的表面特性提出了最高要求。迄今为止，所有实验性和临床应用的材料均未能充分满足这些要求。此外，用于研究潜在瓣膜置换物的理想的动物体内模型在临床前试验中尚未定义。血管生物工程的概念旨在创建一种自体的、活体的、非血栓形成的植入物，为特定患者“个性化”定制。在体外和体内已证明其基本可行性后，该技术有望克服当前所用替代材料的局限性。

8. Five-year view

在浅静脉瓣膜功能不全领域，由于热力或外科排除方法始终是一种有效的治疗策略，因此反流性静脉瓣膜的置换从未成为一种选择。因此，静脉瓣膜置换仍然是深静脉功能不全患者的选项，尤其是那些不适合支架置入或支架置入后仍存在难治性功能不全的患者。未来将验证生物工程化和/或自体瓣膜置换是否能够成为临床现实，特别是当它们可能被整合到可扩张支架系统中时。然而，最具挑战性的问题仍然是血栓形成性与耐久性的结合，因为迄今为止所有植入物均因不良表面重塑和/或血栓形成而失败。除了生物工程化（活体）瓣膜解决方案外，完全合成的瓣膜置换结构也是一种有趣的途径，因为它们可以以较低的成本大规模生产。但同样，这方面的要求也很高，可以推测，对于合成材料而言，满足静脉瓣膜置换结构所需的高抗血栓形成要求可能更加困难。