体外模型评估聚合物支架在材料驱动心脏瓣膜再生中的钙化易感性

为解决心脏瓣膜疾病治疗中生物瓣膜钙化问题，研究人员开发了一种新型体外模型，用于评估聚己内酯(PCL)等聚合物支架在心脏瓣膜组织工程(HVTE)中的钙化风险。该研究通过3D培养猪瓣膜间质细胞(pVICs)21天，发现组织工程构建体(TE)比临床使用的牛心包补片显著减少钙化，且循环应变不影响钙化进程。这一模型为心血管TE材料的系统测试和优化提供了重要工具。

　　

心脏瓣膜疾病是全球范围内日益严重的健康问题，其中钙化性主动脉瓣疾病(CAVD)的死亡率在过去20年持续上升。目前临床使用的人工心脏瓣膜主要分为机械瓣和生物瓣两类，但都存在明显缺陷：机械瓣需要患者终身抗凝治疗，而生物瓣则面临结构性退化和钙化问题，往往需要二次手术。面对这一临床困境，原位心脏瓣膜组织工程(HVTE)技术展现出巨大潜力——这种"活体"瓣膜能在体内逐渐重塑，无需抗凝治疗且能适应患者生长变化。然而，HVTE使用的可降解支架材料在长期植入后是否会发生钙化，成为制约该技术发展的关键问题。

荷兰埃因霍温理工大学(Eindhoven University of Technology)生物医学工程系的Dewy C. van der Valk领衔的研究团队在《In vitro models》发表重要研究，开发了一套创新的体外评估系统。研究人员创造性地将3D悬浮培养平台、猪瓣膜间质细胞(pVICs)和磷酸盐增强培养基相结合，成功模拟了聚合物支架在生理环境中的钙化过程。这项研究不仅为HVTE材料的优化筛选提供了高效工具，更揭示了合成材料与生物材料在钙化机制上的本质差异。

研究团队采用了多项关键技术：1)建立3D悬浮培养系统，使用Transwell插入物培养电纺纤维支架；2)从猪主动脉瓣分离pVICs并通过特殊培养基使其进入静息状态；3)开发含β-甘油磷酸盐(β-GP)的钙化培养基(CM)；4)应用原子力显微镜(AFM)和差示扫描量热法(DSC)等表征支架材料特性；5)采用荧光标记和化学法定量分析钙化程度；6)在Flexcell系统中进行10%循环应变实验评估力学影响。

研究结果部分，"Quiescent cells seeded onto fibrous polymer scaffolds integrate into the scaffold and form constructs in which calcification can occur after 21 days of culture"表明，静息态pVICs能在纤维支架中均匀分布并形成可钙化的构建体。通过7天成纤维细胞失活培养基(FIB)培养，细胞成功去分化，表现为α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)表达下降和波形蛋白表达上升。

"Application I: HVTE material constructs show less calcification compared to pericardial patch control tissue"部分显示，三种电纺聚合物材料(PCL、PCL-BU和PC-BU)的钙化程度显著低于牛心包补片对照组。钙成像和化学检测均证实，心包组的钙化面积比TE材料高3-5倍(P<0.001)。值得注意的是，不同TE材料间的钙化差异受实验批次影响，但所有TE材料都显著优于临床对照。

"Calcification within HVTE constructs is correlated to cellularity"部分揭示了关键机制差异：TE材料的钙化完全依赖活细胞，而心包组织在无细胞条件下仍能钙化。共聚焦显微镜显示TE材料的钙化结节与F-肌动蛋白阳性细胞共定位，而心包钙化则与残留DNA相关，证实了被动钙化机制。

"Scaffold characterization shows that HVTE materials are composed of similar fiber diameters"通过SEM、AFM等技术证实，尽管材料在弹性模量(PC-BU最低)和分子量(PCL最高)上存在差异，但这些参数与钙化程度无明确相关性。DSC检测发现PCL-BU和PC-BU具有双熔融峰，反映了bis-urea(BU)超分子结构特征。

"Application II: cyclic straining of HVTE constructs"部分表明，10%生理应变(经数字图像相关法验证)不影响TE材料的钙化进程。Flexcell系统显示PC-BU组最大面内应变为10.53±0.33%，PCL-BU组为12.51±0.22%，但两组在钙化和羟脯氨酸(Hyp)含量上无统计学差异。

这项研究得出三个重要结论：首先，建立的3D体外模型能有效模拟TE材料构建体的钙化过程，且与体内动物模型结果一致；其次，HVTE材料通过细胞介导的主动过程形成钙化，明显区别于心包组织的被动矿化；最后，生理范围内的循环应变不改变pVICs驱动的钙化进程。这些发现不仅为HVTE材料的优化设计提供了重要指导，更建立了首个专门评估心血管组织工程材料钙化风险的系统性平台。该模型的推广应用将加速新一代抗钙化心脏瓣膜的研发进程，对改善全球数百万心脏瓣膜疾病患者的治疗效果具有重要临床意义。