透析用人工血管研發(fā)進展

黃巳悅，王惠明

武漢大學(xué)人民醫(yī)院腎內(nèi)科，武漢 430060

血液透析是終末期腎臟病患者腎臟替代治療的主要方式。作為血液透析的“生命線”，血管通路的選擇與建立至關(guān)重要，直接影響患者的生活成本和生存質(zhì)量。永久性血管通路的構(gòu)建有三種方式，分別為自體動靜脈內(nèi)瘺（AVF）、人工血管動靜脈瘺（AVG）和中心靜脈置管（CVC）。腎臟病預(yù)后質(zhì)量倡議指南推薦AVF為血液透析患者首選的血管通路類型［1］，其具有良好的長期通暢性及較低的并發(fā)癥發(fā)生率。然而，AVF成熟不良是一個難題，其成熟不良的發(fā)生率30%～60%［2］。這意味著部分患者需要在通路成熟前反復(fù)住院干預(yù)，以促進AVF的成熟。在等待成熟的時間里，患者不得不使用導(dǎo)管進行透析，這會使其暴露于CVC可能帶來的難治性感染、中心靜脈狹窄或閉塞等風(fēng)險中。CVC手術(shù)簡單便捷，術(shù)后即可用于透析，且對患者肢體血管條件要求低。適用于肢體血管條件差不能建立AVG和AVF、心功能差不能耐受動靜脈分流的患者或臨終前患者。然而，其術(shù)后致命性感染及心血管事件的發(fā)生率高［3］。此外，CVC術(shù)后中心靜脈狹窄甚至閉塞的風(fēng)險高，反復(fù)中心靜脈狹窄和閉塞會消耗患者珍貴的中心靜脈資源，導(dǎo)致患者無法再行血液透析治療。AVG適用于自身血管偏細達不到建立AVF的條件、反復(fù)建立AVF導(dǎo)致自身血管資源耗竭或合并糖尿病、高血壓等疾病導(dǎo)致自身血管破壞嚴重的患者。近年來，由于血液透析患者透析齡的延長，糖尿病、高血壓等合并癥的增加，AVG的使用逐漸引起重視［4］。然而，AVG使用過程中狹窄、血栓和感染等并發(fā)癥的反復(fù)發(fā)作，致使患者不得不反復(fù)住院干預(yù)以維持內(nèi)瘺通暢［5］。這極大的降低了患者的生活質(zhì)量，增加了醫(yī)療費用及醫(yī)療資源的損耗。為了克服現(xiàn)有人工血管內(nèi)瘺的缺陷與不足，一些新型人工血管正在研發(fā)之中。現(xiàn)將透析用人工血管研發(fā)進展進行綜述。

1 人工血管表面改性

人工血管表面改性是指在膨體聚四氟乙烯（ePTFE）人工血管的管腔壁表面涂抹藥物或生物活性因子，以賦予人工血管表面新的性能。這種方式可以在一定程度上提高人工血管的血液相容性，減少狹窄、血栓和感染等并發(fā)癥發(fā)生。因其具有工序相對簡單、成本不高且易批量獲得等優(yōu)點已經(jīng)成為當(dāng)前研究的一個熱點。

1.1 肝素涂層的人工血管 肝素是一種功效強大的抗凝劑，臨床上主要用于預(yù)防血栓的形成。肝素涂層的人工血管是目前唯一被批準用于臨床的表面改性人工血管。與ePTFE人工血管相比，肝素涂層的人工血管通暢率提高了20%［6］。肝素涂層的人工血管在術(shù)后前5個月內(nèi)能有效降低血栓形成率［7］。然而也有研究顯示，肝素涂層的人工血管遠期通暢率與ePTFE人工血管相比并無明顯差異［8-9］。不同研究之所以得出相反的結(jié)論，可能與早期血栓的形成并非由通路狹窄導(dǎo)致有關(guān)。盡管肝素可以改善通路早期無狹窄時期的血栓形成，卻無法改善通路中后期因內(nèi)膜增生所致的通路狹窄，因此也不能很好地改善通路中后期因狹窄所致的血栓形成。由此可見，肝素涂層的人工血管對AVG術(shù)后遠期通暢率的改善有限。目前多采用共價結(jié)合的方式將肝素連接到ePTFE人工血管表面，此種修飾方式使得肝素與人工血管結(jié)合的更加牢固，然而共價結(jié)合會改變肝素的結(jié)構(gòu)，影響其抗凝性［10］。因此，既能使肝素牢固持久的結(jié)合于人工血管表面，又能發(fā)揮其強大抗凝性能的改性方式是未來研究的方向。

1.2 紫杉醇涂層的人工血管 紫杉醇是一種抗細胞增殖藥物，紫杉醇涂層的人工血管通過抑制平滑肌細胞（SMC）的增殖和遷移，減少內(nèi)膜增生，從而防止通路的狹窄。之前一項關(guān)于紫杉醇涂抹整根人工血管的大型臨床實驗被安全監(jiān)測委員會叫停，因為發(fā)現(xiàn)其會導(dǎo)致患者感染率的增加。研究嘗試在人工血管末端涂抹紫杉醇以減輕藥物不良反應(yīng)。在人工血管末端涂上紫杉醇可有效減少豬模型吻合口處的內(nèi)膜增生，產(chǎn)生與紫杉醇涂抹整根人工血管相似的效果［11］。盡管如此，這種方式的安全性還需在進一步證實。

1.3 抗生素涂層的人工血管 將抗生素共價結(jié)合于人工血管管腔壁表面，可以降低人工血管的感染率。將利福平、米諾環(huán)素和氯己定三種抗生素共價結(jié)合的人工血管與ePTFE人工血管分別植入接種了金黃色葡萄球菌的豬體內(nèi)，8周后，抗生素涂層的人工血管組感染率更低［12］。由此可見，抗生素涂層的人工血管在短期內(nèi)能有效降低感染率，而此類人工血管的長期效果，不同種類抗生素的效用及安全性都缺乏實驗數(shù)據(jù)，需在未來的研究中進一步證實。

1.4 生物活性因子涂層的人工血管 血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）通過與內(nèi)皮細胞膜上的特異性受體結(jié)合，促進內(nèi)皮細胞的生長與增殖。內(nèi)皮細胞可以促進一氧化氮和前列腺素的分泌，抑制SMC的增殖，減少血小板的聚集，從而改善內(nèi)膜增生和血栓形成。VEGF涂層的人工血管植入后可使人工血管表面擁有完整的內(nèi)皮細胞層，這種人工血管更接近天然血管，具有良好的血液相容性。動物實驗結(jié)果顯示，VEGF涂層的人工血管體現(xiàn)了積極作用［13-14］，然而其有效性及安全性尚需在臨床上加以驗證。

2 組織工程材料

ePTFE是目前使用最廣泛的人工血管材料，它是一種合成材料，具有價格便宜、易于制備、方便儲存與運輸?shù)葍?yōu)點。然而，它也有合成材料固有的缺點。首先，合成材料缺乏形成穩(wěn)定的內(nèi)皮細胞層的能力。內(nèi)皮細胞層的缺失使得大量有害的血管活性因子釋放，進而促進SMC的增殖與遷移，導(dǎo)致內(nèi)膜增厚和管腔閉塞。其次，合成材料黏附白細胞的能力弱，因此更容易感染；最后，血液透析需反復(fù)使用大口徑針頭對人工血管進行穿刺，合成材料容易因時間推移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)退化，導(dǎo)致假性動脈瘤的發(fā)生［15］。綜上所述，合成材料已經(jīng)不能滿足對AVG通路低并發(fā)癥發(fā)生率、低干預(yù)率的需求，將研究方向轉(zhuǎn)向與天然血管更接近的組織工程材料。組織工程人工血管的制備主要有三種方式：經(jīng)處理后的異體或者同種異體血管；有細胞種植的可生物降解支架；自體細胞培養(yǎng)的無支架細胞片血管。

2.1 生物工程人工血管 生物工程人工血管是將異種或同種異體血管進行化學(xué)和物理處理，對膠原纖維和彈性蛋白進行交聯(lián)固定并清除某些活細胞成分。這種處理方式可以在去除生物血管抗原性的同時保留其完整的血管機械結(jié)構(gòu)。經(jīng)過處理后得到的生物工程血管具有良好的順應(yīng)性。目前牛的頸動脈、腸系膜靜脈以及人的隱靜脈、股靜脈已經(jīng)被批準用于構(gòu)建AVG。研究顯示，牛頸動脈、腸系膜靜脈及人的股靜脈與ePTFE相比具有微弱的通暢性優(yōu)勢，然而隨著時間的推移容易有結(jié)構(gòu)退化和動脈瘤風(fēng)險［16-17］。人大隱靜脈的通暢率與ePTFE相似，感染率遠低于ePTFE［18］，雖未見其結(jié)構(gòu)退化的報道，然而來源有限，成本較高等缺點限制了它在臨床上的推廣使用。此外，Omniflow和OmniflowⅡ血管分別由牛和羊的膠原蛋白圍繞聚酯網(wǎng)支架生長而制成的生物工程血管。研究顯示，其遠期通暢率優(yōu)于ePTFE人工血管，感染率低于ePTFE［19］。

2.2 脫細胞人工血管 脫細胞人工血管由種子細胞（SMC）和可降解的支架材料構(gòu)成。其制備是將人類SMC接種到可生物降解的支架材料上，然后放置于生物反應(yīng)器中培養(yǎng)。在這個過程中，種子細胞長出細胞外基質(zhì)（ECM）及其余細胞成分，支架材料降解。之后通過物理、化學(xué)或酶等方法進行脫細胞處理去除其細胞成分以降低其免疫原性。ECM包括膠原蛋白，彈性蛋白等物質(zhì)，可以維持血管的管腔結(jié)構(gòu)，使血管具備一定的機械強度［20-21］。脫細胞人工血管模擬天然血管管壁的三層結(jié)構(gòu)，具有良好的生物相容性的同時還具備血管的力學(xué)特性，可以承受一定的壓力。Ⅱ期臨床試驗表明［22］，脫細胞人工血管術(shù)后6、12個月的初級通暢率分別為63%、28%，初級輔助通暢率分別為73%、38%，次級通暢率分別為97%、89%。只有1條血管受到感染，經(jīng)手術(shù)矯正后依舊可以使用。檢測了患者血清IgG水平證實沒有全身免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)。此外，研究還在16和55周時分別對脫細胞人工血管組織進行了活檢，發(fā)現(xiàn)血管的內(nèi)皮化，且隨著時間的推移還可以在體內(nèi)進行血管的更新與重塑。老鼠模型研究顯示［23］，脫細胞人工血管感染率和膿腫形成率明顯低ePTFE。目前脫細胞人工血管已經(jīng)進入Ⅲ期臨床試驗階段，正在接受一項多中心的脫細胞人工植入和標準AVF術(shù)的大型隨機對照試驗的評估，預(yù)計將于2024年6月完成［24］。盡管脫細胞人工血管的研究已經(jīng)取得突破性的進展，仍有許多問題尚需解決：盡管實驗證實其植入后可以進行血管的重建，然而這種重建能否持續(xù)且穩(wěn)定的發(fā)生仍是未知數(shù)，其結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性尚需臨床長期密切的隨訪與觀察；盡管經(jīng)過脫細胞處理去除細胞成分，但因為種子細胞是異體細胞，仍可能有免疫排斥反應(yīng)的發(fā)生；構(gòu)建組織工程人工血管的步驟繁雜，技術(shù)難度高，成本高，克服專業(yè)技術(shù)壁壘達到量產(chǎn)還需很長的一段時間。

2.3 細胞片人工血管 細胞片人工血管的制備是通過將受試者自身的細胞（SMC和成纖維細胞）放置在特殊的培養(yǎng)皿上培養(yǎng)，在培養(yǎng)皿底部黏附生長一定時間后，通過改變外界的環(huán)境，使其從培養(yǎng)皿底部脫落，得到一層細胞片。將多層細胞片纏繞于管狀支架上培養(yǎng)使其融合，然后移除支架并進行脫細胞處理，最后在管腔壁內(nèi)層種植自體的內(nèi)皮細胞［25］。細胞片人工血管的優(yōu)點有［26］：可以任意設(shè)定其直徑，可根據(jù)患者自身血管的情況定制最適合患者的人工血管尺寸；模擬天然血管的三層結(jié)構(gòu)，具有良好的血液相容性和一定的機械強度，同時可以在體內(nèi)進行血管的自我更新，具有持續(xù)的抗血栓和抗內(nèi)膜增生的能力；因為是用自身細胞制備而成，所以具有較低的感染率和機體免疫排斥風(fēng)險。細胞片人工血管在動物模型中報道了較為理想的通暢率結(jié)果，并于2006年被首次應(yīng)用于臨床構(gòu)建AVG通路［27］?？偠灾?，細胞片人工血管是一種較為理想的天然血管替代物。然而至少需要6個月的時間對患者自身的細胞進行培養(yǎng)，耗時較長，不適用于急需透析的患者；且技術(shù)難度大，過程繁瑣，成本高。目前尚處在臨床探索階段。

3 即用型人工血管

即用型人工血管是近些年來透析用人工血管材料領(lǐng)域的一大進展。它在傳統(tǒng)ePTFE人工血管的基礎(chǔ)上，通過對其管壁的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，形成密度較高的彈性中間層，穿刺針進入中間層后針頭產(chǎn)生彈性回縮，降低了穿刺出血的風(fēng)險，因此可在植入后48～72 h進行早期插管。目前有Flixene、Avflo、Acuseal和Vectra四種型號的即用型人工血管［28］，其中Acuseal、Flixene被批準于國內(nèi)上市。研究顯示，即用型人工血管在通暢率和并發(fā)癥發(fā)生率方面與標準ePTFE相比沒有顯著差異，且感染率相對較低［28］。Acuseal不僅有硅膠制成的彈性中間層，其內(nèi)層還引入了共價結(jié)合的Carmeda生物活性肝素涂層，研究顯示Acuseal 1年初級通暢率、輔助初級通暢率和次級通暢率分別為33.8%、58.9%和98.8%［29］，通暢率滿意。但是有報道稱其存在管壁分離的問題［30］。Flixene內(nèi)層沒有肝素涂層，然而其中間層密度比Acuseal高，不存在管壁分層的問題，且比Acuseal更柔軟，是一款安全、有效且性能優(yōu)良的人工血管。盡管即用型人工血管并未對傳統(tǒng)ePTFE人工血管通暢率的問題產(chǎn)生明顯的改善，然而其允許早期插管，是降低急需透析患者導(dǎo)管依賴的一項行之有效的方法。研究顯示，使用即用型人工血管透析的患者菌血癥的發(fā)生率及患者的病死率明顯低于使用CVC透析的患者［31］，且兩者之間無明顯成本差異。國內(nèi)專家共識也明確表示，對于有中心靜脈疾病的患者，其中心靜脈資源極其寶貴，這種患者如需建立AVG，應(yīng)該選用即用型人工血管，以避免過渡期CVC的使用［32］?？偠灾?，即用型人工血管為急需透析的患者提供了全新的選擇，對減少或延緩CVC的置入，保護患者中心靜脈資源，降低患者菌血癥的發(fā)生率，提高患者生活質(zhì)量和降低患者死亡率具有重大意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，各種新型人工血管層出不窮。目前人工血管的可選擇性更廣，通暢性也在逐步優(yōu)化。未來的目標是能制造出一種理想的人工血管，其具有良好的生物相容性，仿天然血管的彈性和機械性，植入后可以自我更新，不會引起免疫排斥反應(yīng)，感染概率極低，制備流程相對簡單便捷，可以達到量產(chǎn)且具有成本效益。這種新型人工血管的出現(xiàn)，將解決血管通路領(lǐng)域的難題，改善血管通路高并發(fā)癥發(fā)生率、高病死率的現(xiàn)狀。