【背景介绍】
经导管栓塞术（TAE）是一种微创手术，使用栓塞剂有意地阻塞患病或受伤的血管以达到治疗目的。相比侵入开放手术，TAE提供了一个安全，高效的方法来控制具有更好的临床效果和更低的成本出血。其已经成为治疗许多血管疾病，包括出血，动脉瘤，血管畸形的中流砥柱，和血供肿瘤。目前在临床中使用了多种栓塞剂，例如卷材，珠子和液体栓塞。然而，它们的有效性受到高成本，再通，毒性，非特异性栓塞风险和中风的限制。此外，栓塞剂和目标血管的大小不匹配会在栓塞过程中引起许多并发症，例如非目标栓塞，复发性出血和器官缺血。为了克服当前栓塞剂的缺点，可延展水凝胶的战略设计可能会提供优于当今临床使用的固体和液体栓塞剂的显着优势。
【科研摘要】
最近，美国梅约医学中心Rahmi Oklu教授团队，开发了一种基于脱细胞的心脏细胞外基质（ECM）和纳米粘土锂皂石(NC)的纳米复合水凝胶（简称ECM-NC），以提供卓越的机械稳定性，导管可注射性，可回收性，抗菌性能以及防止再通的生物学活性。该研究以题为“Bioactive‐Tissue‐Derived Nanocomposite Hydrogel for Permanent Arterial Embolization and Enhanced Vascular Healing”发表在6月《Advanced Materials》上。
ECM-NC的设计及应用在猪的E动脉和肾动脉栓塞生存模型中，研究显示了基于剪切变稀的水凝胶的栓塞功效（示意图1）。基于ECM的水凝胶可促进动脉血管壁重塑，同时会发生明显的生物降解，因此仅14％的栓塞物质残留在14天。基于ECM的水凝胶具有空前的增殖，抗菌性能以及良好的机械性能，并且在抗凝血液中具有优越的性能，因此有望成为下一代生物功能性栓塞剂，可以成功治疗多种血管疾病。
示意图1.ECM-NC纳米复合凝胶的制备和体内栓塞测试的示意图。黑色虚线勾勒出猪心脏去细胞的左心室。
【图文探讨】
1. ECM凝胶的准备和表征
首先，作者从猪心脏的左心室中分离出心脏ECM，并对其微结构和组成进行了表征。为此，将左心室切成小块，进行脱细胞和冻干（图 1A）。用苏木精和曙红（H＆E）和苯基吲哚（DAPI）染色对细胞和细胞核染色证实了脱细胞作用，结构蛋白可促进细胞黏附以及组织再生等（图1B）。扫描电子显微镜（SEM）揭示了脱细胞心脏组织的表面多孔形态（图 1B）。接着，用胃蛋白酶消化脱细胞的心脏组织。溶解的基质用NaOH中和形成ECM溶液，随后将其与NC混合以产生ECM-NC水凝胶。ECM溶液在37°C时经历了溶胶-凝胶转变，并呈现出网状微结构（图 1C）。ECM的DNA含量降低了98％以上（ p<0.0001）与天然组织相比，进一步证实了脱细胞过程已经完成，这是必不可少的，因为细胞残留物（例如DNA）可能会引发免疫反应（图1D）。
图1. A）脱细胞的心脏组织制备包括解剖猪心脏的左心室，然后进行脱细胞和冻干。B）脱细胞前后心脏组织表征的代表性图像，包括H＆E，I型胶原，纤连蛋白和层粘连蛋白的免疫染色以及SEM。C）消化并中和脱细胞的心脏组织以形成ECM溶液，该溶液在37°C时经历了溶胶-凝胶转变，形成了纳米纤维网。D）天然组织和ECM中的dsDNA量，确认成功脱细胞。E）从三只不同的猪制备的ECM样品的FTIR光谱，显示成分一致性。F）分别从不同的猪心脏（ECM1-ECM3）制备的ECM样品，合并样品和大鼠尾部胶原I蛋白（Col-1）的SDS-PAGE凝胶，显示制备的ECM中蛋白质组成的一致性。 G）在9、12和20 mg mL-1的浓度下，ECM的代表性比浊凝胶动力学。H）通过流变法测得的ECM在37°C的胶凝动力学。I）代表性的应变扫描（在10 rad s-1下执行）显示了ECM的G'和G''曲线。J）剪切速率扫描揭示了在4和37°C下ECM（20 mg mL-1）的剪切稀化特性。
2. ECM机械性能和生物功能
凝胶标记为xECM yNC，其中x是ECM百分比，y代表NC百分比。进行流变学测量以评估ECM–NC凝胶的粘弹性，它们均表现出剪切稀化行为（图 2A）。在37°C时ECM浓度从0增至1 wt％，xECM4.5NC的G '从910±4 Pa增加到7327±426 Pa表明机械强度和微观结构增强（图2B）。屈服应力也随着ECM量从76±7 Pa(0ECM4.5NC)增加到236±22 Pa(1ECM4.5NC)而增强（图2C）。表明该凝胶具有增强的抗血管壁剪切应力的能力，并具有增强的抗材料分解能力。角频率扫描测量表明，所有xECM4.5NC凝胶的G'值均比G”（损耗模量）值高≈7–50倍，表明形成了稳定的水凝胶（图2D）。此外，xECM4.5NC纳米复合材料是可恢复的，在振荡应变，模仿间歇注射和栓塞过程中的展开过程下具有出色的自愈特性（图2E）。这些结果表明，ECM和NC可以立即形成稳定的网络结构，该结构不会由于快速，可逆的静电相互作用而在剪切应力作用下被破坏。
为了研究与xECM4.5NC纳米复合材料接触时的细胞活力，将L929小鼠成纤维细胞接种在凝胶上。活细胞的数量与ECM的数量成比例地增加。图2G证明，与含较少ECM的水凝胶相比，1ECM4.5NC（1 wt％ECM）表现出最高的细胞活力（136±8％）。体外测试显示EMH和EMH-I均无细胞毒性。WST-1分析通过在水凝胶提取物中的L929细胞在37°C下培养24小时而被用作细胞毒性的定性评估，显示凝胶没有毒性（图2K）。
射线不透性对于任何栓塞剂在基于X射线的透视下进行实时跟踪至关重要。这样可以精确部署，防止非目标栓塞。将临床使用的水性造影剂碘海醇（350 mgI mL-1）掺入x ECM4.5NC中，形成不透射线的水凝胶xECM4.5NC-I，碘海醇的最终浓度为27 wt ％。FTIR用于确认ECM和碘海醇已并入纳米复合材料网络（图2H）。
图2. A）xECM4.5NC的流变性，B）G'是在10 rad s-1（n = 3）下通过振荡应变扫描测得的。C）由振荡应变扫描计算的屈服应力（n = 3）。D）在0.1％应变下进行振荡频率扫描。 E）时间扫描，F）代表性的注射力曲线，显示断裂和注射力。G）通过增加凝胶中ECM的量来增强细胞活力（n = 8）。H）ECM，NC，EMH和EMH-I的FTIR光谱，显示化学成分。I）EMH‐I通过手动注射从2.8 F导管中挤出，J）置换对照所需的压力（仅PBS），NC，EMH和EMH-I（n = 3），K）L‐929细胞的存活 与ECM，NC，EMH一起孵育后。L）通过测量在EMH和EMH-1（n = 8）上培养的大肠杆菌悬浮液的光密度来测试抗菌性能。
3. ECM在组织器官的应用
为了研究栓塞物质是否导致微碎裂，将一个终末器官动脉（例如肾脏的主要肾动脉）栓塞。栓塞后的主肾动脉的任何碎片都可以通过高分辨率microCT成像和组织学检测到。此外，通过CTA成像，主肾动脉的任何再通将显示肾实质的对比增强。从颈动脉入口处，使用5 French导管插入一根主要肾动脉，然后进行DSA，以证明正常的肾动脉解剖结构（图 5A）。从远端肾动脉位置，通过5根French导管注入约2–3 mL EMH-I，导致沿动脉腔立即铸模（图5B，C）。随后的来自主动脉的DSA图像显示，尽管动物接受了抗凝治疗，但在栓塞的肾动脉中没有血流，肾脏也没有造影增强（图5B，C）。这些动物的一个子集可以存活14天（n = 4）。尸检前，进行造影剂增强的CTA，表明栓塞动脉持续闭塞，没有证据表明肾实质的造影剂增强，提示没有再通血管（图5D，E）。在D14时，栓塞后还可以检测到肾脏体积显着减少（约36％）（非栓塞肾为213±15 cm 3，栓塞后为135±20 cm3）对于栓塞肾脏）（图5F）。全身CT成像后，收获了栓塞的和对侧正常的肾脏（图5G，H）。通过microCT成像进一步评估了这些肾脏，结果显示不存在微栓塞，肾动脉完全闭塞。在组织学上，在皮质中没有EMH-I的证据，这表明没有发生微栓塞（图5G，H）。组织学分析表明，EMH-I能够穿透小至200 µm的血管（图5H））。在第14天，肾囊变薄，肾小管和肾小球的破坏以及实质中新形成的纤维化组织都表明没有血流和肾脏生理功能的丧失（图5G，H）。
在这些微创栓塞实验中，所有猪都接受了栓塞程序，没有任何困扰的迹象。血液血液学和血清生化结果表明，在第14天没有任何感染迹象和正常器官功能，包括肾和肝功能。全身CT扫描显示，重要器官包括肺，肝，脾，心脏，大脑和下肢（图5I）不明显。没有证据表明淋巴结肿大，肺栓塞或中风，这表明EMH-I没有穿过栓塞动脉的毛细血管床。在这项研究中，猪存活了14天。为了更好地了解EMH-I的长期栓塞疗效及其全身反应，必须进行持续6个月至1年的实验。
图3. A),B)使用EMH-1在猪模型中进行肾动脉栓塞。C)透视图像显示不透射线的EMH-1阻塞了主要的肾动脉以及肾中的节段性动脉分支（黑色箭头）。D)术后14天非栓塞和栓塞肾脏的CTA图像。E)轴向CTA图像显示与对照（橙色虚线轮廓）相比，栓塞肾的实质无增强（白色虚线轮廓）。F)通过CTA测定的栓塞肾脏和未治疗肾脏的体积。G，H)切除的肾脏的总体图像，以及栓塞的肾脏的代表性H＆E图像。 I)接受EMH-1的动物的正常器官的CT图像。虚线概述了肺，肝，脾，心脏和大脑。。
【总结陈述】
总之，作者已经开发出了一类新的具有生物活性，组织来源，机械坚固且不透射线的基于ECM的纳米复合材料，用于血管栓塞。EMH-I具有剪切稀化特性，可从各种微型和标准临床导管中注射，以轻松，快速地注射，从而实现即时止血。与当今使用的栓塞剂相比，EMH-I是一种“万能”的栓塞剂，不需要额外的导线，装置或专用导管。EMH-I还具有独特的性能，因为它机械稳定，可以实现持久的闭塞，而不会在一级动脉中迁移或破碎。它也具有抗菌和再生作用。尽管抗凝，EMH-I仍完全阻塞了栓塞的动脉；这在栓塞剂中是一个理想的功能，因为如今的线圈失效是因为它们依靠身体形成血栓的固有能力来阻塞动脉内部的线圈物质。这些特性及其易用性使ECM-NC纳米复合材料对各种栓塞应用（如治疗动脉瘤和血管畸形）极具吸引力。融合了ECM蛋白的基于组织的生物学功能和合成纳米粘土的机械强度的新颖混合设计代表了血管内血管疾病治疗的新方向。如治疗动脉瘤和血管畸形。
【通讯简介】
Rahmi Oklu，美国梅约医学中心教授，进行的研究主要基于患者启发的生物工程。2016年至今，担任马萨诸塞州剑桥大学医学微和纳米技术联合主席；2014年至今，担任《血管诊断与干预》杂志主编；2014年，马萨诸塞州波士顿，医学与创新技术整合中心，杰出青年临床医生奖获得者。作为一名介入放射科医生，Oklu教授治疗多种疾病，包括静脉和动脉疾病以及癌症。此外，Oklu教授的工作还包括：新型生物材料，可作为治疗急性和慢性出血的工具；生物工程学方法，用于递送和捕获新陈代谢的药物或副产物；血管内和留置导管上的生物传感器；以及用于治疗静脉血栓形成，导管感染的新型医疗设备和肥胖。
课题组:
www.mayo.edu/research/faculty/oklu-rahmi-m-d-ph-d/bio-20269247
原文链接：
doi/10.1002/adma.202002611
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