轴特异性二尖瓣环成形术环消除二尖瓣反流，允许二尖瓣环在羊模型中运动

Zhu等人基于人体高分辨率心脏磁共振成像检查设计并制造了二尖瓣环成形术环，展示了轴特异性柔韧性和刚性。该环显示了良好的离体血流动力学和生物力学，同时允许二尖瓣环在体内存活的大型动物模型中动态变化。

　　

新型二尖瓣成形环：修复二尖瓣反流的创新突破

在心脏疾病领域，二尖瓣反流（Mitral Valve Regurgitation，MR）是一种常见且危害严重的心脏瓣膜疾病，尤其在西方国家，其发病率不容小觑。近日，来自斯坦福大学（Stanford University）的研究人员在《Communications Medicine》期刊上发表了一篇名为 “An axis - specific mitral annuloplasty ring eliminates mitral regurgitation allowing mitral annular motion in an ovine model” 的论文，为二尖瓣反流的治疗带来了新的曙光，在心脏外科领域具有重要的研究意义和潜在的临床应用价值。

研究背景：二尖瓣反流治疗的困境与挑战

二尖瓣反流是西方国家最常见的心脏瓣膜疾病之一，据估计，美国高达 19% 的普通人群受其影响，它也是全球发病率和死亡率的主要原因之一。仅美国每年在二尖瓣疾病上的医疗支出就高达 132 亿美元，在所有心脏瓣膜疾病中成本最高。二尖瓣反流可由二尖瓣装置的各种内在病变引起，也可能由原发性心肌病导致，其中二尖瓣环扩张是二尖瓣反流的常见特征，表现为前后径大于横径，与正常收缩期的二尖瓣环关系相反。

目前，二尖瓣手术干预是严重症状性二尖瓣反流患者的金标准治疗方法，合成二尖瓣成形环是二尖瓣修复的基本组成部分，其目的是将二尖瓣环恢复到正常几何形状。市面上虽已有数十种不同几何形状和设计的二尖瓣成形环，可分为柔性和刚性两类，但它们仍无法满足二尖瓣环成形修复的两个关键需求：一是限制前后（anteroposterior，AP）维度，这对确保瓣叶正确贴合、防止瓣环扩张，实现持久的瓣环成形修复至关重要；二是正常人类二尖瓣环在整个心动周期中会发生动态构象变化，以最小化二尖瓣环和腱索的受力，然而现有的柔性成形环虽能允许一定的二尖瓣环运动，但无法充分限制 AP 距离，常导致修复失败；刚性成形环虽可减少 AP 维度、防止晚期扩张，却显著限制了二尖瓣环运动，还会增加瓣环受力。因此，开发一种既能在心动周期中允许二尖瓣环动态变化，又能限制 AP 距离以防止晚期扩张的选择性灵活的二尖瓣成形环迫在眉睫。

研究方法：多维度探索的创新技术路径

人体心脏 MRI 采集

研究人员招募了 4 名健康人类志愿者，在获得他们的知情同意后，使用 3T MRI 扫描仪（SIGNA Premier，通用电气）以及 60 通道前 AIR 线圈与 30 通道脊柱线圈耦合进行心脏检查。通过平衡稳态自由进动（balanced steady - state free precession，bSSFP）2D 电影心脏扫描，并采用脉搏血氧计门控和屏气技术，获取了高分辨率的心脏图像，包括短轴（Short Axis，SAX）和长轴（Long Axis，LAX）的 bSSFP 电影图像，为后续的二尖瓣环追踪和分析提供了基础数据。

二尖瓣环追踪与分析

利用心脏图像建模软件（Cardiac Image Modeling software，CIM v8.0，Tag2D，?Auckland UniServices Ltd）对二尖瓣环进行追踪。从 LAX 图像中确定舒张末期（End - diastolic，ED）和收缩末期（End - systolic，ES）的心脏时相，分别对应二尖瓣关闭和主动脉瓣关闭的时刻。在每个 LAX 图像的 ES 时相识别两个二尖瓣环点，软件基于像素平方差和度量，通过寻找连续帧之间的最佳非线性变形，自动追踪整个心动周期中其余的点。随后，对追踪到的二尖瓣环点进行提取、排序，并通过一系列计算和处理，包括减去质心、旋转到最小二乘平面、计算插值三次样条拟合等，得到二尖瓣环的运动参数，如瓣环高度、瓣间距离（Intercommissural，IC）、AP 距离、瓣环高度与瓣间距离比（Annular Height to Intercommissural Distance Ratio，AHICR）以及 2D 二尖瓣环面积等。

轴特异性二尖瓣成形环设计

基于人体成像数据，研究人员旨在设计一种具有方向灵活性的二尖瓣成形环，以适应健康人二尖瓣环的自然运动。该成形环的设计目标是在保持相对恒定的 AP 环尺寸以防止扩张的同时，能够从扁平轮廓转变为双曲线抛物面形状（即鞍形），并且其前部应具有足够的灵活性，以适应主动脉根部和主动脉 - 二尖瓣在正常心动周期中的动力学变化。为实现这些目标，研究人员采用了不同模制和 3D 打印的半柔性材料组合制造该成形环。其主体由 3D 打印的半刚性材料（FPU 50，Carbon，Redwood City，CA）制成，独特的几何形状，尤其是后段对称取向的切口部分，通过减小横截面积和面积惯性矩，实现了围绕 AP 轴的鞍形灵活性，同时保持 AP 维度的相对刚度，防止 AP 扩张。在三角区位置制作两个小穿孔，用于连续系 3 - 0 聚酯缝线，为前段提供拉伸刚度，防止径向扩张或横向扩张，同时允许前段发生弯曲和压缩变形。随后，使用 3D 打印的 UMA90 模具铸造，并填充弹性硅酮（Shore 20A，P - 20，Silicones Inc，High Point，NC），增强了结构的支撑性。最后，为便于手术植入，用聚酯织物包裹成形环，并在其外围设置薄缝纫袖口。

二尖瓣成形环机械性能表征

对选择性灵活的二尖瓣成形环（尺寸 32）进行了两个轴向的机械测试，并与临床实践中使用的刚性二尖瓣成形环（Carpentier - Edwards Classic，Edwards Lifesciences，尺寸 32）和柔性二尖瓣成形环（Annuloflex，LivaNova，尺寸 32）进行比较。在测试 AP 维度的刚性时，将每个环安装在定制的 3D 打印支架（UMA90，Carbon，Redwood City，CA）上，固定在配备 100 N 载荷传感器的 Instron 5565 Microtester（Norwood，MA）上，以 5 mm/min 的速度在 AP 轴上拉伸至最大 10 N，每种环类型测试 5 次。测试环围绕 AP 轴的灵活性时，将环在 Instron 中旋转 90 度，使用单独的定制 3D 打印支架安装，使环在压缩时能够弯曲成自然的鞍形，同样以 5 mm/min 的应变率进行测试，每种环类型测试 5 次。

轴特异性二尖瓣成形环细胞毒性测试

为评估制造轴特异性二尖瓣成形环所用材料的细胞毒性，研究人员从 0 - 3 天大的 Sprague - Dawley 大鼠中分离出新生大鼠心肌细胞，使用 Pierce? Primary Cardiomyocyte Isolation Kit（ThermoFisher Scientific，Waltham，MA）进行操作。将细胞培养在含有 10% 胎牛血清和 1% 青霉素 / 链霉素（Sigma Aldrich，St. Louis，MO）的 DMEM 培养基中，并在 37°C、5% 条件下预培养 2 小时以去除成纤维细胞。将剩余的细胞悬液以每孔 500,000 个细胞的密度接种在 24 孔组织培养板中（Corning? Costar?，Fisher Scientific，Waltham，MA）。24 小时后，将处理样品（每组）加入细胞培养基中，其中 100 μl PBS 和 100 μl 7.5% 次氯酸钠分别作为阴性和阳性对照，FPU 和硅酮则制成直径 3 mm、高 1 mm 的圆柱体，3D 打印或切割后经环氧乙烷灭菌，放入跨孔板中悬浮在心肌细胞上方并浸没在细胞培养基中。再过 24 小时后，使用 CellTiter - Glo? 发光细胞活力测定法（Promega，Madison，WI）进行检测，通过微孔板读数器分析发光情况。

体外二尖瓣环扩张系统

为在血流动力学和生物力学方面评估轴特异性二尖瓣成形环的疗效，研究人员设计了一种体外二尖瓣反流模型，用于模拟慢性二尖瓣反流相关的瓣环扩张，并允许进行瓣环成形修复。他们对先前描述的瓣环扩张装置进行了修改，使用 3D 打印的二尖瓣扩张器（UMA90，Carbon，Redwood City，CA）对二尖瓣进行预扩张，该扩张器设计为正常天然二尖瓣环的 D 形，以确保对称扩张，其最大 IC 距离从 45 mm 逐渐减小到 15 mm。将扩张后的二尖瓣安装在具有 1:1 AP 与横向距离比的薄且高弹性的二尖瓣支架上，该支架由弹性硅酮（Shore 20A，P - 20，Silicones Inc，High Point，NC）制成，使用 3D 打印的 UMA90 模具制造。由于手动扩张后的瓣环倾向于恢复，因此在二尖瓣后环上设置了七个额外的锚点，连接到定制的弹簧调节栓系统，以精确控制瓣环扩张，每个弹簧根据绵羊二尖瓣环的体内力测量选择，三个间隔 - 侧向弹簧的弹簧常数为 2.3 lb/in，四个横向弹簧的弹簧常数为 2.6 lb/in，从而有效将二尖瓣环固定在扩张状态。

体外心脏模拟实验

从当地屠宰场（Terra Linda Farms，Riverdale，CA）获取新鲜猪心脏，小心取出二尖瓣，保留瓣叶、腱索、乳头肌、瓣环和周围左心房组织。选择 IC 距离为 28 mm 的二尖瓣，使用 3D 打印的二尖瓣扩张器将其扩张至 IC 距离为 38 mm 后移除扩张器。用间断 2 - 0 丝线将二尖瓣安装到弹性硅酮支架上，缝线距离左心房袖口的瓣环 5 mm，以实现最大瓣环扩张并为瓣环成形修复留出足够空间。在瓣膜支架下方使用连续 4 - 0 聚丙烯缝线作为止血线，防止非生理性反流。将乳头肌头部用间断、带垫片的 2 - 0 丝线固定在乳头肌固定器上，然后连接到左心室内的碳纤维棒上，定制的垫圈设置允许乳头肌进行精确的三维定位并锁定最终位置。

使用先前描述的体外左心模拟器，该模拟器配备脉动线性活塞泵（ViVitro Superpump，ViVitro Labs，Victoria，BC，加拿大），根据 ISO 5840 体外心脏瓣膜测试标准，通过泵控制器和软件（ViVitest Software，ViVitro Labs）产生生理血流动力学。使用电磁流量探头（Carolina Medical Electronics，East Bend，NC）记录二尖瓣跨瓣血流，使用压力传感器（Utah Medical Products，Inc，Midvale，UT）测量心室、主动脉和左心房压力，以 0.9% 生理盐水作为测试流体。线性活塞泵被编程为在基线二尖瓣反流状态下，以 70 bpm 的心率产生 65 mmHg 的平均动脉压，在整个实验过程中，顺应性腔和外周阻力保持不变。每次测试收集 10 个完整心动周期的血流动力学数据并取平均值。使用 Phillips iE33 系统和 S5 - 1 经胸探头（Koninklijke Philips NV，Amsterdam，The Netherlands）测量二尖瓣叶对合高度，并通过 iE33 板载软件和 Siemens Syngo Dynamics 工作站（Siemens Medical Solutions USA，Ann Arbor，MI）进行分析。通过植入校准的高分辨率光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）传感器（DTG - LBL - 1550，125 μm；FBGS International，Geel，Belgium）收集腱索力数据，将传感器用 CV - 7 聚四氟乙烯缝线连接到天然腱索上，然后在两个缝线连接点之间切断腱索，使原本作用在腱索上的力作用到 FBG 传感器上，测量每个瓣膜的前叶和后叶的初级和次级腱索的峰值和平均收缩期力，以及归一化到平均动脉压后的力变化率，并在 MATLAB（MathWorks，Natick，MA）中进行分析。实验中，在收集基线二尖瓣反流数据后，随机使用轴特异性二尖瓣成形环（尺寸 28）、刚性二尖瓣成形环（Annuloflo，LivaNova，尺寸 28）和柔性二尖瓣成形环（Annuloflex，LivaNova，尺寸 28）对瓣膜进行修复，每次修复后收集数据，然后移除先前的成形环，植入下一个成形环继续收集数据，整个实验过程中瓣环锚点和乳头肌固定器位置保持不变。

体内绵羊二尖瓣手术

在体内研究中，由于与雌性绵羊合作存在感染 Q 热的风险，因此仅使用雄性绵羊。选取体重约 45 kg 的健康雄性多塞特绵羊（Joe Pozzi Ranch，CA），肌肉注射地西泮（0.05 - 0.2 mg/kg）进行镇静，静脉注射丙泊酚（5 - 12 mg/kg）诱导麻醉。随后进行气管插管，使用 1 - 3% 异氟醚维持全身麻醉。在无菌条件下经皮放置右股动脉导管后，将绵羊置于左侧卧位，进行无菌准备和铺巾。

对于终端实验，将动物随机分为三组，分别接受轴特异性二尖瓣成形环（尺寸 28，）、刚性二尖瓣成形环（Carpentier - Edwards Classic，Edwards Lifesciences，尺寸 28，）和柔性二尖瓣成形环（Annuloflex，LivaNova，尺寸 28，）。选择尺寸 28 的成形环是为了适度缩小二尖瓣环，以真实反映瓣环成形环限制瓣环尺寸的功能。对于存活实验，所有动物均接受轴特异性二尖瓣成形环（尺寸 28），其中三只绵羊存活 3 个月，两只绵羊存活 6 个月。

手术时，在右侧第 4 肋间进行约 8 cm 的胸廓切开术，切开心包，用 2 - 0 丝线制作心包摇篮。进行基线超声心动图检查后，暴露心脏，静脉注射 250 单位 /kg 的肝素，5 分钟后测量激活凝血时间，目标为 480 s，然后开始体外循环。在近端主动脉弓、上腔静脉和下腔静脉放置单根非带垫片的 2 - 0 编织聚酯荷包缝线。使用 16 Fr OptiSite 动脉插管（Edwards Lifesciences，Irvine，CA）通过 Seldinger 技术插入主动脉进行直接动脉插管，使用 18 Fr 直角插管（Medtronic，Fridley，MN）插入上腔静脉，22 Fr 直角插管（Medtronic，Fridley，MN）插入下腔静脉进行双腔静脉插管，将 9 Fr 心脏停搏液针（Medtronic，Fridley，MN）放置在主动脉根部。启动预充有 Plasmalyte A 的心肺旁路，应用主动脉交叉夹后，注入 500 mL 冷 Del Nido 心脏停搏液使心脏停搏。通过 Sondergaard 沟打开左心房，暴露二尖瓣，在二尖瓣环周围放置非带垫片的 2 - 0 编织聚酯缝线，植入选定的二尖瓣成形环后，用 4 - 0 聚丙烯缝线连续缝合关闭左心房。移除主动脉交叉夹，停止心肺旁路，移除主动脉、静脉和心脏停搏液插管，静脉注射鱼精蛋白（最大 2 mg/kg）。术后重复超声心动图检查，插入尺寸 28 的胸管，固定后连接到 Heimlich 瓣膜（Cook Medical，Bloomington，IN）并进行持续吸引。在满意止血后，分层关闭切口。对于终端研究，绵羊在切口关闭后进行心脏 MRI 检查。实验结束时，通过静脉注射氯化钾对绵羊实施安乐死。对于存活动物，拔管并在逐渐停用正性肌力药物后从麻醉中恢复，每 6 小时对胸管进行抽吸，直至引流量最小时拔除胸管。当这些动物达到实验终点时，通过静脉注射氯化钾实施安乐死。所有绵羊实验均按照美国国立卫生研究院的《实验动物护理和使用指南》（第 8 版，2011 年）进行，并获得斯坦福大学机构动物护理和使用委员会的批准（协议编号 #33749）。

绵羊心脏 MRI 采集

将动物置于右侧卧位，固定在 MRI 检查台上，使用 3T MRI 扫描仪（SIGNA HDxt，通用电气）和 8 通道心脏线圈进行基线心脏检查。采用 bSSFP 2D 电影心脏扫描，通过脉搏血氧计门控和屏气技术（视野 280×280 mm；基本矩阵 256×256；空间分辨率；每个心动周期 30 个相位，每个段 6 个视图；TE/TR 为 1.9/4.1 ms；翻转角 45°；ASSET 相位加速 2），获取 SAX 和 LAX 的 bSSFP 电影图像，采集方式与人类受试者相同。每个终端绵羊在二尖瓣修复术前 5 天内进行基线心脏 MRI 检查，并在术后立即进行检查。对于存活动物，术后未立即进行心脏 MRI 检查，而是在术后 1、3 和 6 个月进行额外的心脏 MRI 检查，直至终端手术。

绵羊脑 MRI 采集

在术后 3 个月和 6 个月的存活动物进行终端手术前，先进行脑 MRI 检查。将动物置于仰卧位，固定在 MRI 检查台上，使用 3T MRI 扫描仪（SIGNA HDxt，通用电气）和 8 通道 HRBRAIN 线圈进行成像，获取扩散加权、T1 加权、液体衰减反转恢复（Fluid - attenuated Inversion Recovery，FLAIR）、T2 加权、T2 星加权和磁共振血管造影图像，详细规格见补充方法 1。

绵羊组织病理学和结构分析

所有存活动物在预定时间点实施安乐死，进行有限的尸检，包括检查和收集整个心脏、大脑以及肾脏、肺、肝脏和脾脏的代表性切片。收集的组织浸泡在 10% 中性缓冲福尔马林中固定，尸检时进行宏观观察，收集有宏观变化的组织并记录在尸检记录中。将尸检记录以及整个心脏、大脑和肾脏、肺、肝脏和脾脏的代表性样本提供给 StageBio（Mt Jackson，VA）进行进一步评估。

对整个心脏样本进行拍照并修剪，以分离出植入的装置与周围组织，对所得组织块进行显微计算机断层扫描（Micro Computed Tomography，MicroCT）成像，检查是否有矿化、结构破坏和二尖瓣成形环完整性的证据。将装置处理后嵌入 Spurr 树脂中，在组织和装置的内侧 - 外侧和前后切片平面进行切片，从每个切片水平以及任何可追踪的大体病变处获取一张切片，用苏木精和伊红（Hematoxylin and Eosin，H