【背景介紹】
經導管栓塞術（TAE）是一種微創手術，使用栓塞劑有意地阻塞患病或受傷的血管以達到治療目的。相比侵入開放手術，TAE提供了一個安全，高效的方法來控制具有更好的臨床效果和更低的成本出血。其已經成為治療許多血管疾病，包括出血，動脈瘤，血管畸形的中流砥柱，和血供腫瘤。目前在臨床中使用了多種栓塞劑，例如卷材，珠子和液體栓塞。然而，它們的有效性受到高成本，再通，毒性，非特異性栓塞風險和中風的限制。此外，栓塞劑和目標血管的大小不匹配會在栓塞過程中引起許多併發症，例如非目標栓塞，復發性出血和器官缺血。為了克服當前栓塞劑的缺點，可延展水凝膠的戰略設計可能會提供優於當今臨床使用的固體和液體栓塞劑的顯著優勢。
【科研摘要】
最近，美國梅約醫學中心Rahmi Oklu教授團隊，開發了一種基於脫細胞的心臟細胞外基質（ECM）和納米黏土鋰皂石(NC)的納米複合水凝膠（簡稱ECM-NC），以提供卓越的機械穩定性，導管可注射性，可回收性，抗菌性能以及防止再通的生物學活性。該研究以題為「BioactiveTissueDerived Nanocomposite Hydrogel for Permanent Arterial Embolization and Enhanced Vascular Healing」發表在6月《Advanced Materials》上。
ECM-NC的設計及應用在豬的E動脈和腎動脈栓塞生存模型中，研究顯示了基於剪切變稀的水凝膠的栓塞功效（示意圖1）。基於ECM的水凝膠可促進動脈血管壁重塑，同時會發生明顯的生物降解，因此僅14％的栓塞物質殘留在14天。基於ECM的水凝膠具有空前的增殖，抗菌性能以及良好的機械性能，並且在抗凝血液中具有優越的性能，因此有望成為下一代生物功能性栓塞劑，可以成功治療多種血管疾病。
示意圖1.ECM-NC納米複合凝膠的製備和體內栓塞測試的示意圖。黑色虛線勾勒出豬心臟去細胞的左心室。
【圖文探討】
1. ECM凝膠的準備和表徵
首先，作者從豬心臟的左心室中分離出心臟ECM，並對其微結構和組成進行了表徵。為此，將左心室切成小塊，進行脫細胞和凍幹（圖 1A）。用蘇木精和曙紅（H＆E）和苯基吲哚（DAPI）染色對細胞和細胞核染色證實了脫細胞作用，結構蛋白可促進細胞黏附以及組織再生等（圖1B）。掃描電子顯微鏡（SEM）揭示了脫細胞心臟組織的表面多孔形態（圖 1B）。接著，用胃蛋白酶消化脫細胞的心臟組織。溶解的基質用NaOH中和形成ECM溶液，隨後將其與NC混合以產生ECM-NC水凝膠。ECM溶液在37°C時經歷了溶膠-凝膠轉變，並呈現出網狀微結構（圖 1C）。ECM的DNA含量降低了98％以上（ p<0.0001）與天然組織相比，進一步證實了脫細胞過程已經完成，這是必不可少的，因為細胞殘留物（例如DNA）可能會引發免疫反應（圖1D）。
圖1.A）脫細胞的心臟組織製備包括解剖豬心臟的左心室，然後進行脫細胞和凍幹。B）脫細胞前後心臟組織表徵的代表性圖像，包括H＆E，I型膠原，纖連蛋白和層粘連蛋白的免疫染色以及SEM。C）消化並中和脫細胞的心臟組織以形成ECM溶液，該溶液在37°C時經歷了溶膠-凝膠轉變，形成了納米纖維網。D）天然組織和ECM中的dsDNA量，確認成功脫細胞。E）從三隻不同的豬製備的ECM樣品的FTIR光譜，顯示成分一致性。F）分別從不同的豬心臟（ECM1-ECM3）製備的ECM樣品，合併樣品和大鼠尾部膠原I蛋白（Col-1）的SDS-PAGE凝膠，顯示製備的ECM中蛋白質組成的一致性。 G）在9、12和20 mg mL-1的濃度下，ECM的代表性比濁凝膠動力學。H）通過流變法測得的ECM在37°C的膠凝動力學。I）代表性的應變掃描（在10 rad s-1下執行）顯示了ECM得G'和G''曲線。J）剪切速率掃描揭示了在4和37°C下ECM（20 mg mL-1）的剪切稀化特性。
2. ECM機械性能和生物功能
凝膠標記為xECM yNC，其中x是ECM百分比，y代表NC百分比。進行流變學測量以評估ECM–NC凝膠的粘彈性，它們均表現出剪切稀化行為（圖 2A）。在37°C時ECM濃度從0增至1 wt％，xECM4.5NC的G '從910±4 Pa增加到7327±426 Pa表明機械強度和微觀結構增強（圖2B）。屈服應力也隨著ECM量從76±7 Pa(0ECM4.5NC)增加到236±22 Pa(1ECM4.5NC)而增強（圖2C）。表明該凝膠具有增強的抗血管壁剪切應力的能力，並具有增強的抗材料分解能力。角頻率掃描測量表明，所有xECM4.5NC凝膠的G'值均比G」（損耗模量）值高≈7–50倍，表明形成了穩定的水凝膠（圖2D）。此外，xECM4.5NC納米複合材料是可恢復的，在振蕩應變，模仿間歇注射和栓塞過程中的展開過程下具有出色的自愈特性（圖2E）。這些結果表明，ECM和NC可以立即形成穩定的網絡結構，該結構不會由於快速，可逆的靜電相互作用而在剪切應力作用下被破壞。
為了研究與xECM4.5NC納米複合材料接觸時的細胞活力，將L929小鼠成纖維細胞接種在凝膠上。活細胞的數量與ECM的數量成比例地增加。圖2G證明，與含較少ECM的水凝膠相比，1ECM4.5NC（1 wt％ECM）表現出最高的細胞活力（136±8％）。體外測試顯示EMH和EMH-I均無細胞毒性。WST-1分析通過在水凝膠提取物中的L929細胞在37°C下培養24小時而被用作細胞毒性的定性評估，顯示凝膠沒有毒性（圖2K）。
射線不透性對於任何栓塞劑在基於X射線的透視下進行實時跟蹤至關重要。這樣可以精確部署，防止非目標栓塞。將臨床使用的水性造影劑碘海醇（350 mgI mL-1）摻入x ECM4.5NC中，形成不透射線的水凝膠xECM4.5NC-I，碘海醇的最終濃度為27 wt ％。FTIR用於確認ECM和碘海醇已併入納米複合材料網絡（圖2H）。
圖2.A）xECM4.5NC的流變性，B）G'是在10 rad s-1（n = 3）下通過振蕩應變掃描測得的。C）由振蕩應變掃描計算的屈服應力（n = 3）。D）在0.1％應變下進行振蕩頻率掃描。 E）時間掃描，F）代表性的注射力曲線，顯示斷裂和注射力。G）通過增加凝膠中ECM的量來增強細胞活力（n = 8）。H）ECM，NC，EMH和EMH-I的FTIR光譜，顯示化學成分。I）EMHI通過手動注射從2.8 F導管中擠出，J）置換對照所需的壓力（僅PBS），NC，EMH和EMH-I（n = 3），K）L929細胞的存活 與ECM，NC，EMH一起孵育後。L）通過測量在EMH和EMH-1（n = 8）上培養的大腸桿菌懸浮液的光密度來測試抗菌性能。
3. ECM在組織器官的應用
為了研究栓塞物質是否導致微碎裂，將一個終末器官動脈（例如腎臟的主要腎動脈）栓塞。栓塞後的主腎動脈的任何碎片都可以通過高解析度microCT成像和組織學檢測到。此外，通過CTA成像，主腎動脈的任何再通將顯示腎實質的對比增強。從頸動脈入口處，使用5 French導管插入一根主要腎動脈，然後進行DSA，以證明正常的腎動脈解剖結構（圖 5A）。從遠端腎動脈位置，通過5根French導管注入約2–3 mL EMH-I，導致沿動脈腔立即鑄模（圖5B，C）。隨後的來自主動脈的DSA圖像顯示，儘管動物接受了抗凝治療，但在栓塞的腎動脈中沒有血流，腎臟也沒有造影增強（圖5B，C）。這些動物的一個子集可以存活14天（n = 4）。屍檢前，進行造影劑增強的CTA，表明栓塞動脈持續閉塞，沒有證據表明腎實質的造影劑增強，提示沒有再通血管（圖5D，E）。在D14時，栓塞後還可以檢測到腎臟體積顯著減少（約36％）（非栓塞腎為213±15 cm 3，栓塞後為135±20 cm3）對於栓塞腎臟）（圖5F）。全身CT成像後，收穫了栓塞的和對側正常的腎臟（圖5G，H）。通過microCT成像進一步評估了這些腎臟，結果顯示不存在微栓塞，腎動脈完全閉塞。在組織學上，在皮質中沒有EMH-I的證據，這表明沒有發生微栓塞（圖5G，H）。組織學分析表明，EMH-I能夠穿透小至200 m的血管（圖5H））。在第14天，腎囊變薄，腎小管和腎小球的破壞以及實質中新形成的纖維化組織都表明沒有血流和腎臟生理功能的喪失（圖5G，H）。
在這些微創栓塞實驗中，所有豬都接受了栓塞程序，沒有任何困擾的跡象。血液血液學和血清生化結果表明，在第14天沒有任何感染跡象和正常器官功能，包括腎和肝功能。全身CT掃描顯示，重要器官包括肺，肝，脾，心臟，大腦和下肢（圖5I）不明顯。沒有證據表明淋巴結腫大，肺栓塞或中風，這表明EMH-I沒有穿過栓塞動脈的毛細血管床。在這項研究中，豬存活了14天。為了更好地了解EMH-I的長期栓塞療效及其全身反應，必須進行持續6個月至1年的實驗。
圖3.A),B)使用EMH-1在豬模型中進行腎動脈栓塞。C)透視圖像顯示不透射線的EMH-1阻塞了主要的腎動脈以及腎中的節段性動脈分支（黑色箭頭）。D)術後14天非栓塞和栓塞腎臟的CTA圖像。E)軸向CTA圖像顯示與對照（橙色虛線輪廓）相比，栓塞腎的實質無增強（白色虛線輪廓）。F)通過CTA測定的栓塞腎臟和未治療腎臟的體積。G，H)切除的腎臟的總體圖像，以及栓塞的腎臟的代表性H＆E圖像。 I)接受EMH-1的動物的正常器官的CT圖像。虛線概述了肺，肝，脾，心臟和大腦。
【總結陳述】
總之，作者已經開發出了一類新的具有生物活性，組織來源，機械堅固且不透射線的基於ECM的納米複合材料，用於血管栓塞。EMH-I具有剪切稀化特性，可從各種微型和標準臨床導管中注射，以輕鬆，快速地注射，從而實現即時止血。與當今使用的栓塞劑相比，EMH-I是一種「萬能」的栓塞劑，不需要額外的導線，裝置或專用導管。EMH-I還具有獨特的性能，因為它機械穩定，可以實現持久的閉塞，而不會在一級動脈中遷移或破碎。它也具有抗菌和再生作用。儘管抗凝，EMH-I仍完全阻塞了栓塞的動脈；這在栓塞劑中是一個理想的功能，因為如今的線圈失效是因為它們依靠身體形成血栓的固有能力來阻塞動脈內部的線圈物質。這些特性及其易用性使ECM-NC納米複合材料對各種栓塞應用（如治療動脈瘤和血管畸形）極具吸引力。融合了ECM蛋白的基於組織的生物學功能和合成納米黏土的機械強度的新穎混合設計代表了血管內血管疾病治療的新方向。如治療動脈瘤和血管畸形。
【通訊簡介】
Rahmi Oklu，美國梅約醫學中心教授，進行的研究主要基於患者啟發的生物工程。2016年至今，擔任麻薩諸塞州劍橋大學醫學微和納米技術聯合主席；2014年至今，擔任《血管診斷與幹預》雜誌主編；2014年，麻薩諸塞州波士頓，醫學與創新技術整合中心，傑出青年臨床醫生獎獲得者。作為一名介入放射科醫生，Oklu教授治療多種疾病，包括靜脈和動脈疾病以及癌症。此外，Oklu教授的工作還包括：新型生物材料，可作為治療急性和慢性出血的工具；生物工程學方法，用於遞送和捕獲新陳代謝的藥物或副產物；血管內和留置導管上的生物傳感器；以及用於治療靜脈血栓形成，導管感染的新型醫療設備和肥胖。
課題組網頁：
https://www.mayo.edu/research/faculty/oklu-rahmi-m-d-ph-d/bio-20269247
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002611
版權聲明：「水凝膠」是由專業博士（後）創辦的非贏利性（原創精品）學術公眾號，旨在分享學習交流膠體類材料學的研究進展。上述僅代表作者個人觀點且作者水平有限，如有科學不妥之處，請予以下方留言更正。如有侵權或引文不當請聯繫作者改正。商業轉載請聯繫編輯或頂端註明出處。感謝各位關注！