利用生物反应器体外培养hiPSCs来源的SMCs构建ECM人工血管

The small diameter vascular graft made of synthetic materials can cause the thrombosis, intimal hyperplasia and low long-term patency rate in vivo so its development and application was limited. Extracellular matrix (ECM) vascular grafts prepared by bioreactor in vitro with good biocompatibility, high biological activity, mass production and storage show great potential for application. In this study, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) were differentiated into smooth muscle cells (SMCs), then SMCs were seeded onto scaffolds made of poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) with good elasticity and biodegradation in bioreactors for ECM vascular grafts preparation. Herein, mechanical stimulation, cytokines and genetic modification were applied to effectively enhance SMCs synthesizing ECM. Meantime, we study the mechanism of promoting ECM synthesis effected by SMCs. The structure and function of ECM vascular grafts were characterized in vitro. The regeneration and physical function of ECM vascular grafts were evaluated by transplantation in rat and rabbit in vivo. In conclusion, this study provides new methods and ideas for the vascular grafts achieving good mechanic properties, degradation and regeneration properties.

由合成材料构建的小口径人工血管植入机体后会出现血栓、内膜增生和远期通畅率低下等问题，因而限制了其发展和应用。而体外生物反应器制备细胞外基质（ECM）人工血管具有生物相容性好、生物活性高、可批量生产和储存等优点，应用潜力巨大。本研究将人多潜能诱导干细胞（hiPSCs）诱导分化成平滑肌细胞（SMCs），并种植在弹性好且降解速率适中的PLCL支架上，利用生物反应器流动培养制备ECM人工血管。通过施加力学刺激、添加细胞因子、基因修饰等手段调控种子细胞SMCs的状态，增强SMCs合成ECM的能力，最终实现快速获得ECM人工血管。研究还对制备的ECM人工血管的结构和功能进行表征分析，并进行大鼠和兔体内植入实验，考察所构建的ECM人工血管在动物体内的血管再生及功能情况。该研究的实施为获得力学性能、降解速率与组织再生速度完美匹配的人工血管的研发提供新方法和新思路。

心血管疾病已超越肿瘤疾病成为威胁人类生命健康的第一大原因，但是目前仍没有能够满足临床需要的小口径人工血管（内径<6 mm）。单纯的高分子材料存在生物活性差，降解速度较慢的缺点，天然脱细胞基质存在力学强度不够，无法控制口径和长度的缺点。通过组织工程构建方式制备小口径人工血管能够改善人工合成材料所制成的支架生物活性差的问题，但是在体外生物反应器中进行培养往往存在因为所需培养时间长造成的成本高、风险大、周期长等问题。.针对这些问题，本研究采用静电纺丝技术通过控制材料孔径大小和孔隙率，制备有利于种子细胞浸润的多孔支架；将人上皮成纤维细胞（hDFs）作为种子细胞种植于 PCL 支架；利用生物反应器对负载hDFs的人工血管支架进行体外培养，通过调控流动培养参数，给予人工血管流动切应力刺激以及径向搏动刺激，系统研究生物力学刺激和低氧诱导对细胞表型、增殖情况以及胞外基质分泌的影响；通过 SD 大鼠移植实验，系统考察所构建的ECM 人工血管功能指标，不断优化 ECM 人工血管制备方法。研究发现2%的氧气浓度不仅能够增强细胞活力，促进细胞粘附，还可以促进细胞分泌更多的Col-I、Col-III、Elastin等ECM组分和VEGF，SDF-1，FGF等促再生因子，可以促进hFDs的迁移和内皮细胞的迁移和成管；体内实验发现低氧诱导和流动培养组再生出更接近于天然动脉的血管。本项目还研究了基于生物反应器的iPSCs-ECs/dECM人工血管的制备方法，并将分化得到的ECs接种到PCL-dECM支架上成功制备出iPSCs-ECs/dECM人工血管，为下一步深入开展体内验证打下良好基础。.项目期内多次参加国际国内相关学术会议；邀请国内外著名学者来访讲学，交流学术思想，探讨相关技术。与国内外从事该领域研究的实验室建立和开展合作。发表学术论文13篇，申请发明专利 4项，其中已授权发明专利2项。 培养博士研究生 6名，硕士研究生 3 名。该研究表明通过低氧诱导和流动培养力学刺激手段，可以缩短ECM支架体外制备时间，并且得到的PCL-dECM人工血管具有良好的应用前景；本研究还为优化ECM血管的性能提出了改进方案，为解决小口径血管问题提供新的研究方向。