【生物材料】再谈猪和牛

来源:微信公众号 MiHeart 原作者 Mi      时间:2020-01-02

    有老师建议笔者讲一讲瓣叶结构,笔者想了想这块确实需要好好琢磨,不过工程瓣膜种类繁多,暂时又没有确凿的临床证据,所以今天还是继续讲讲生物瓣。
    此处先复习一下正常主动脉瓣的三层结构,内皮细胞在瓣叶的每一侧组成单层。间质细胞(Valve interstitial cells,VICs)则是由成纤维细胞、平滑肌细胞(Smooth muscle cells,SMCs)和成肌纤维细胞组成的混合物,并充满了瓣叶。在主动脉一侧是纤维层,富含胶原纤维可为瓣膜提供大部分拉伸程度;心室侧则富含弹性蛋白纤维,从而为主动脉瓣提供弹性;在这两层之间是海绵体,其约占瓣叶厚度的60至70%,主要由蛋白聚糖组成,蛋白聚糖的水分含量很高,因此在心动周期的不同阶段起“减震”作用。
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图1 主动脉瓣叶的组成
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图2 主动脉瓣叶的三层结构
    胶原蛋白是天然蛋白质家族的成员,是以三重螺旋结构闻名的一组蛋白质,也是哺乳动物体内存在最丰富的蛋白质之一,目前人体中已知有28种胶原蛋白。胶原蛋白大量存在于结缔组织中,为肌腱和韧带提供抗张强度,并使皮肤具有弹性。
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图3 胶原蛋白中的氨基酸残留。胶原蛋白中存在甘氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸
    欧洲研究者们对三种来源的瓣膜样品(人、猪、牛)进行了取样分析,使用Masson三色染色法进行染色,如下图,角蛋白和肌肉纤维被染成了红色,胶原蛋白被染成蓝色或绿色,细胞质被染成浅红色或粉红色,细胞核则是深褐色或黑色。证实人主动脉瓣膜含有50%的胶原蛋白(74%的I型胶原蛋白,24%的III型胶原蛋白),13%的弹性蛋白、蛋白聚糖和糖胺聚糖。(猪选择大于6个月,牛是1岁)
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图4 不同来源生物组织Masson三色染色结果

(A. 猪心包;B. 猪主动脉瓣叶;C. 牛心包;D. 牛主动脉瓣叶;E. 人心包—配图注释有问题;F. 人主动脉瓣叶)


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图5 多光子共聚焦激光扫描显微镜获得的不同来源组织的胶原蛋白束排列(主要看排列和方向~)
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图6 不同来源组织中羟脯氨酸的含量比较(牛心包明显高,羟脯氨酸可作为胶原蛋白和弹性蛋白的总含量代表)
    因此研究者们得出结论,人和猪组织中胶原纤维组织、浓度和割线模量相似;牛心包则含有高度组织化的胶原纤维,最高的割线弹性模量和羟脯氨酸含量,这也证实了这些材料在制备心脏生物瓣膜方面的有效性。(割线模量是指在单向受力条件下,应力-轴向应变曲线上相应于50%抗压强度的点与原点连线的斜率。简单理解,牛心包最韧~)
    另一个与瓣膜植入后表现相关的性能是钙化,美国研究者Pranava Sinha教授(Children’s National Medical Center)等针对不同来源心包组织制备的心脏瓣膜,使用不同的戊二醛(Glutaraldehyde,GA)浓度、预处理时间后,将其植入大鼠45天后进行钙定量分析,发现随着GA暴露浓度的增加,牛和猪心包组织的钙化趋势均增加(浓度为1.2%时,明显更高,P<0.01)。此外,猪心包组织中的钙含量随着GA暴露时间的增加而显著降低(P<0.001),而牛则关系不大(P=0.23)。
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图7 组织钙化与戊二醛浓度和暴露时间的关系
    在所有移植物中均观察到炎症反应并伴有单核细胞、成纤维细胞和组织细胞浸润的组织学证据,但从轻度到重度不等,且没有规律。
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图8 使用苏木精红和Van-Kossa染色对组织进行定性分析
(A. Van-Kossa染色显示在用1.2%GA处理的牛心包组织出现严重钙化;
B. 1.2%GA处理的牛心包组织中看到严重的炎症反应;
C. 低剂量短时间GA组中出现严重的自溶;
D. 使用0.625%GA处理5分钟的牛心包中看到中度炎症反应和自溶)
    有意思的是,既往(从80年代已知延续到二十世纪)的外科研究显示了采用(牛)心包制作瓣膜的血流动力学性能更好,有效瓣口面积更大、跨瓣压差更小;而猪瓣膜则被认为更常出现PPM,因此有可能会影响术后效果(于是某大厂就果断抛弃了猪~)。但是两者多个大型研究的长期生存率的比较已证实了,两者的临床表现之间无统计学差异。(这个临床生存率笔者之前写过~)
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图9 2000至2013年来自11个研究的Forst plot显示,术后牛心包的跨瓣梯度明显低于猪瓣膜
(RCT,随机对照研究;OBS,观察性研究)
    于是专家们认为,出现这种结果的原因,一方面是既往的研究存在局限性,在分析生物瓣膜的耐用性时,必须谨慎对待任何少于10年的随访结果。此外,市场可能由与科学证据没有直接关系的因素驱动,与两种瓣膜的比较结果不完全相关。譬如,在全球许多地方,牛心包的制作成本明显高于猪瓣膜,这限制了牛心包的应用。

    笔者小小的补充下,其实生物瓣早已不是纯粹的生物瓣,工程技术在生物瓣中的应用,尤其是猪瓣膜脱细胞过程的优化,可能会深深影响瓣膜植入后的耐久性。因此,评价瓣膜临床效果的标准,越来越难以单一因素进行评价。



参考文献:
1.  Manuel J. Antunes. Porcine of bovine: does it really matter? European Journal of Cardio-Thoracic Surgery 47(2015):1075-1076.
2.  Vikas Sharma, Salil V. Deo, Salah E. Altarabsheh, et al. Comparison of the early haemodynamics of stented pericardial and porcine aortic valves. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery 47(2015):4-10.
3.  Pranava Sinha, David Zurakowski, T. K. Susheel Kumar, et al. Effects of glutaraldehyde concentration, pretreatment time, and type of tissue(porcine versus bovine) on postimplantation calcification. J Thorac Cardiovasc Surg 2012;143:224-7.

4.  Elena Filova, Zuzana Burdikova, Lubica Stankova, et al. Collagen structures in pericardium and aortic heart valves and their significance for tissue engineering. 2013 E-Health and Bioengineering Conference, EHB 2013.

(来源:MiHeart 微信公众号,原作者 Mi,金仕生物向原作者致敬!仅供专业人士学习分享参考,侵权告删)


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