灌注生物反应器中生理剪切应力调控增强小口径血管移植物内皮化的创新研究

这篇研究开发了一种新型灌注生物反应器系统，通过模拟生理与病理剪切应力（>10 dyn cm?2和<5 dyn cm?2），动态评估电纺聚己内酯-明胶（PCL-gelatin）血管移植物内皮化。研究发现生理剪切应力促进内皮细胞（ECs）定向排列，上调内皮型一氧化氮合酶（eNOS）和血小板内皮细胞黏附分子-1（PECAM-1），而病理剪切应力则诱导细胞间黏附分子-1（ICAM-1）高表达，加剧单核细胞黏附。该平台为血管移植物临床前评估提供了更接近生理的体外模型。

　　

1 引言

心血管疾病（CVD）的流行推动了对血管旁路移植物的需求，但小口径（<6 mm）合成移植物易因血栓形成和内膜增生导致失败，核心问题在于内皮化不足。自体移植物虽为金标准，但来源有限。当前商用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚四氟乙烯（PTFE）移植物因生物相容性差，术后1年内血栓发生率高达40%。内皮细胞（ECs）对血流剪切应力高度敏感，生理性高剪切（>10 dyn cm^?2）可促进抗炎表型，而低剪切（<5 dyn cm^?2）会触发炎症反应。传统静态培养无法模拟血流动力学，本研究通过灌注生物反应器填补了这一技术空白。

2 结果

2.1 灌注生物反应器模拟冠状动脉血流环境

生物反应器采用2 mm内径的电纺PCL-gelatin移植物，通过计算流体力学（CFD）验证其可生成0-33.9 dyn cm^?2的壁剪切应力（WSS）。58.1 mL min^?1流速对应生理性高剪切（12.7 dyn cm^?2），6.6 mL min^?1则模拟病理低剪切（1.4 dyn cm^?2），系统稳定性误差<5%。

2.2 血管移植物原位内皮化

人冠状动脉内皮细胞（hCAECs）通过注射端口均匀接种于移植物内壁，4小时后各段细胞密度一致（804-924 cells/视野）。24小时高剪切培养下，hCAECs沿血流方向显著拉长排列（90°定向占比>80%），静态组则呈无序铺路石形态。

2.3 剪切应力调控内皮功能标志物

qPCR与免疫荧光显示：

• 高剪切组：eNOS mRNA表达提升6倍，PECAM-1蛋白增加10倍，但VCAM-1蛋白被抑制；
• 低剪切组：ICAM-1表达激增3倍，单核细胞黏附数量达1711±776 cells/视野，是静态组的5.5倍。

2.4 功能性验证

高剪切促进hCAECs迁移至移植物全长，而低剪切诱导黏附的THP-1单核细胞体积增大（31 μm²），呈现活化表型。

3 讨论

该生物反应器首次实现3D移植物动态内皮化评估，突破传统静态培养的局限性。eNOS/PECAM-1上调与ICAM-1抑制的"剪刀差效应"证实剪切应力通过机械转导通路调控内皮稳态。值得注意的是，单核细胞在高剪切下可能通过转分化参与内皮修复，这为移植物设计提供了新思路。未来可扩展至高血压或狭窄血管的病理模型。

4 实验方法

电纺采用90:10的PCL-gelatin混合溶液（10% w/v，HFIP溶剂），在20 kV电压下以300 RPM转速收集。内皮细胞接种密度为3×10⁶ cells/graft，CFD采用ANSYS Fluent 2024 R1模拟，层流模型包含108,000个网格。统计采用GraphPad Prism 9.0进行ANOVA分析。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献内容，专业术语均保留英文缩写及原文符号格式。）