基于结构仿生和修复微环境调控的小口径人工血管构建及评价

Construction of small-diameter artificial blood vessel is extremely difficulty in vascular tissue engineering due to small diameter, slow velocity, low blood pressure and complex blood flow environment. This proposal is suggested to manipulate the vascular hemodynamics based on the previously published work of applicant about the ridge/groove topography, and to induce the directed differentiation of stem cells by in vivo regenerative repaired microenvironment of the latest reports. The primary aim of the current project is to separately control the endothelial cell differentiation and smooth muscle cell differentiation of iPS-mesoblast as a vascular progenitor cells via the sole or synergetic efficiency of biomimetic structure and repaired microenvironment. This project plans to separately fabricate the ridge/groove topography of tunica intima and concentric circle structure of tunica media through freeze casting and electrostatic spinning technology. Based on the preliminary differentiation of iPS for iPS-mesoblast as the vascular progenitor cells, we will explore the response of biomimetic structure on hemocompatibility and hemodynamics by in vitro cell evaluation and in vivo animal test, and the molecular mechanism of the directed induction of iPS-mesoblast in the local tunica intima and media, respectively, and make a theoretical foundation of fabrication of small-diameter vascular grafts based on structural bionics and repaired microenvironment.

小口径人工血管构建由于口径小、流速慢、血压低和血流环境复杂一直是血管组织工程领域亟待解决的痛点问题。本项目基于申请人前期在利用血管内膜凹槽拓扑结构调控血液动力学的研究基础以及近期关于体内损伤修复微环境调控干细胞定向分化的最新研究报道，提出了基于结构仿生和修复微环境单独或协同调控iPS-mesoblast血管祖源细胞定向分成内皮细胞和平滑肌细胞的理念。项目拟以冷冻铸造和静电纺丝技术制备仿天然血管的内膜凹槽结构和中膜同心圆结构的小口径人工血管，并基于iPS体外预分化形成中胚层细胞iPS-mesoblast作为血管祖源细胞，通过对材料的体外细胞评价和体内动物模型验证，来探索仿生结构对人工血管的血液相容性和血液动力学的响应，以及利用体内修复微环境介导iPS-mesoblast在内膜和中膜层原位诱导和定向分化的分子机制，为发展基于结构仿生和修复微环境介导的小口径人工血管奠定理论基础。

心血管疾病(CAD)已成为人类健康的第一杀手，血管损伤是引发CAD的重要原因之一。临床上应用病人自体血管或人工合成血管替换损伤病变血管是一种常规治疗策略。然而由于病人本身的血管相关疾病、被替代血管的实际尺寸多样化、供体处组织损伤和需求数量多等因素，实际上基于这种自体血管移植替代的应用受到了很大限制。另一方面，尽管大口径人工血管(内径>6mm)已取得了重大进展，并广泛应用于临床治疗，但对于小口径人工血管(内径<3mm)，因其血流流速慢，血压低，口径小易堵塞，内皮化不足，远期通畅率差的原因，临床应用效果欠佳。因此，本项目针对小口径人工血管临床应用中的诸多痛点问题，基于结构仿生和修复微环境调控来设计一种新型小口径人工血管，并结合iPS-mesoblast血管祖源细胞构建组织工程人工血管。项目执行2年以来，主要开展了如下三个方面研究工作及相应研究结果：.（1）基于生物可降解基材和静电纺丝技术，成功制备出具有仿天然血管内膜凹槽结构和中膜同心圆结构的小口径人工血管。研究结果表明，该类血管具有良好的机械弹性，血管内膜具有显著的凹槽拓扑结构，可有效引导血管内皮细胞的取向排列生长，加速内皮化进程。.（2）实现诱导多能干细胞（iPS）向中胚层方向的诱导分化，并完成中胚层细胞基因和蛋白层面的鉴定。iPS-mesoblast具有分化成内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞的巨大潜力，从而为血管组织工程提供新型血管祖源细胞。.（3）成功制备一种具有一氧化氮（NO）持续释放功能的新型抗凝人工血管。研究结果表明，基于铜离子（Cu2+）与血液中NO前体的点击反应，可原位合成缓释NO。细胞实验证实该血管支架的持续释放的NO具有促进内皮细胞增值，抑制平滑肌细胞增殖的能力。最后利用大鼠腹主动脉模型验证该小口径人工血管在抗凝血和促进内皮化的能力。最终为发展小口径人工血管提供新的设计思路和理论基础。