聚羥基脂肪酸脂膜的介紹及在心血管方面的應(yīng)用新進展

許士俊　綜述　穆軍升　審校

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院心外科　心肺血管研究所， 北京100029)

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聚羥基脂肪酸脂膜的介紹及在心血管方面的應(yīng)用新進展

許士俊綜述穆軍升審校

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院心外科心肺血管研究所， 北京100029)

【摘要】生物制造產(chǎn)業(yè)是包括生物燃料、生物材料和生物化學(xué)品的產(chǎn)業(yè)，也被稱為“白色生物技術(shù)”。隨著石油資源的日益枯竭，國內(nèi)外一直致力于研究開發(fā)可再生資源,因此生物制造產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展的機會。聚羥基脂肪酸脂作為一種生物聚酯，具有優(yōu)良的生物可降解性、生物相容性、光學(xué)特性和氣體相隔性等許多優(yōu)秀性能，是當(dāng)今生物制造的重點之一，在生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面受到了廣泛的關(guān)注?，F(xiàn)簡單介紹聚羥基脂肪酸脂，并綜述其在心血管方面的應(yīng)用新進展。

【關(guān)鍵詞】聚羥基脂肪酸脂；心血管；醫(yī)學(xué)；細胞培養(yǎng)

1聚羥基脂肪酸脂簡介

聚羥基脂肪酸脂(polyhydroxyalkanoates，PHA)是一類由細菌在碳源和氮源供應(yīng)不均衡條件下合成、能夠被生物降解、無細胞毒性的熱塑性聚酯[1]。在細菌體內(nèi)，PHA的生理功能是作為碳源和能源的儲備物質(zhì)；在體外，其應(yīng)用范圍由生物塑料、精細化工原材料和可植入生物材料拓展到藥物和生物燃料的原材料[2]等方面。因其有良好的生物可降解性、可調(diào)節(jié)的機械性能和組織相容性，PHA作為支架材料已經(jīng)廣泛用于組織工程的研究：包括聚3-羥基丁酸脂(PHB)、3-羥基丁酸-3-羥基戊酸共聚酯(PHBV)、聚4-羥基丁酸、3-羥基丁酸-3-羥基己酸共聚酯(PHBHHx)和聚3-羥基辛酸在內(nèi)的PHA家族中多個成員已被用于縫線、吊帶、心血管補片、骨釘、防粘連膜、內(nèi)支架、關(guān)節(jié)軟骨支架、神經(jīng)導(dǎo)管支架、肌腱修復(fù)和醫(yī)用敷料等多個組織工程領(lǐng)域的研究中。

2PHA的結(jié)構(gòu)和分類

PHA具有159種單體結(jié)構(gòu)[3]，其中包括含有3～16個C原子的各種飽和、非飽和、支鏈或非支鏈的3-羥基、4-羥基、5-羥基、6-羥基脂肪酸，具有脂肪族或芳香族的側(cè)鏈，也可能具有甲基、鹵原子、羥基、環(huán)氧基、氰基、羰基、苯基、苯腈基、硝基苯基和酯化羰基等取代基[4]。根據(jù)PHA的單體組成，可將其大致分成以下3類：單體組成在3～5個C原子的PHA稱為短鏈PHA(short chain length PHA，scl-PHA)；單體組成在6～16個C原子的PHA稱為中長鏈PHA(medium chain length PHA，mcl-PHA)；由短鏈和中長鏈單體共聚形成的短鏈中長鏈共聚PHA(scl-mcl-PHA)[5]。

3PHA的性能

PHA具有從硬的晶體到軟的彈性體等一系列不同聚合物的性質(zhì)，這主要由其單體組成和單體比例決定的。短鏈PHA大多數(shù)有比較高的結(jié)晶度，表現(xiàn)出硬而強的塑料特性；而中長鏈PHA由于結(jié)晶度很低，表現(xiàn)出軟而韌的彈性體特征。除了熱塑性外，PHA還具有生物可降解性、生物相容性、疏水性、光學(xué)異構(gòu)性、壓電性等特殊性能[6]。與傳統(tǒng)石化塑料相比，PHA的最大優(yōu)勢就是其可降解性和生物相容性。因此可作為生物可降解塑料，其優(yōu)良的生物相容性又使其在生物醫(yī)學(xué)方面得到廣泛的應(yīng)用。

4PHA與細胞的相互作用

在2000年的一項研究中，綿羊頸動脈血管細胞被植入由PHA制成的心臟瓣膜多孔支架中，4 d后可見細胞在支架表面完全匯合。表明綿羊頸動脈血管細胞與PHA有著良好的生物相容性[7]。Prabhakaran等[8]在2012年的一項研究發(fā)現(xiàn)，利用懸滴法培養(yǎng)小鼠胚胎干細胞成為擬胚體，然后接種到PLGA/Col納米紡絲膜上，經(jīng)過誘導(dǎo)分化后，可以定向分化為心肌細胞，為心肌再生提供了一種有趣的策略。PHBHHx經(jīng)過絲素蛋白改性后，水接觸角從90°降至51°，表面自由能從37.9 mJ/m2增至57.4 mJ/m2，增加了材料的親水性，然后與人臍靜脈內(nèi)皮細胞共培養(yǎng)，MTT法細胞活力測定分析表明，改性后的PHBHHx多孔支架更有利于細胞的生長，活力顯著高于未改性的PHBHHx支架材料，掃描電鏡觀察細胞在改性后的多孔支架上生長狀態(tài)優(yōu)于在未改性的PHBHHx支架上的生長狀態(tài)[8]。Kang 等[9]研究了人成纖維細胞在 PHBV膜上的生長情況，研究表明：PHBV膜在經(jīng)過氧等離子體輝光放點、聚丙烯酸接枝、聚環(huán)氧乙烷鏈接和胰島素固定等一系列表面修飾后，材料的水接觸角由75°降到33°，人成纖維細胞的增殖速率有了顯著的提高?？茖W(xué)家們通過研究表明材料的親水性和疏水性對細胞的生長非常重要，材料較好的細胞相容性需要有合適的親疏水性；并非親水性越強，材料的生物相容性越好，與酯酶處理過的PHA表面相比，他們研究中所用的小鼠成纖維細胞在親水性更好的透明脂酸包被的PHA表面生長反而較差[10]。

Deng 等[11]利用鹽析的方法制備了PHBHHx/PHB三維多孔支架，將兔關(guān)節(jié)軟骨細胞植入其中，發(fā)現(xiàn)軟骨細胞在支架上生長情況比在PHB上更好，并且都在接種7 d后達到最大細胞密度，剛接種時，大量的軟骨細胞在支架表面生長，7 d后細胞長入支架的空隙內(nèi)部。在支架表面生長的細胞呈扁平狀并形成匯合的多層細胞，在支架內(nèi)部細胞呈圓球狀并聚集成島樣細胞團，而且在28 d的增殖后軟骨細胞仍能保持它的形態(tài)。You等[12]在體外條件下進行了人骨髓間質(zhì)細胞與PHBHHx的生物相容性研究，結(jié)果顯示PHBHHx與骨髓間質(zhì)細胞有著良好的相容性并且可能在骨組織工程中有潛在的用途。到目前為止，已研究過的與PHA相互作用的細胞種類有內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞、巨噬細胞、軟骨細胞、角質(zhì)細胞、成骨細胞、神經(jīng)干細胞和間充質(zhì)干細胞。

5PHA作為醫(yī)療材料的應(yīng)用

在過去的很多年中，研究者們一直致力于將PHA應(yīng)用到醫(yī)療材料當(dāng)中。目前，多種PHA被研究者開發(fā)應(yīng)用到包括諸如修復(fù)裝置、縫線、維修補丁、繃帶、心血管補丁、骨科針、防粘連膜、支架、引導(dǎo)組織修復(fù)/再生設(shè)備、關(guān)節(jié)軟骨修復(fù)支架、神經(jīng)導(dǎo)管、肌腱修復(fù)裝置、脊髓支架、人造食管及傷口敷料等方面[13]。因為具有良好的壓電性，PHBHHx被成功的應(yīng)用于促進骨骼再生。許多研究表明，PHBHHx在神經(jīng)損傷的修復(fù)和人工血管方面的應(yīng)用也具有巨大的前景[14]。PHBHHx作為醫(yī)學(xué)植入材料，其最重要的性質(zhì)為無毒、無免疫刺激性、易降解，且降解產(chǎn)物包括單體和低聚物，甚至可以激活鈣離子通道并促進受損組織再生[15]。Shishatskaya等發(fā)現(xiàn)，PHB和PHBV單纖維縫合在長達1年的試驗期中沒有造成植入?yún)^(qū)的體內(nèi)任何不良反應(yīng)，而且在對于PHBHHx的研究中同樣發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[16]。在美國，以聚4-羥基丁酸為原料生產(chǎn)的可吸收縫線產(chǎn)品已經(jīng)批準上市，在不久的將來，更多的PHA材料將很快進入臨床。

6PHA在心血管方面的應(yīng)用

心血管疾病是全球范圍內(nèi)引起死亡的主要疾病，嚴重威脅人類的生命和健康。缺陷修補、血管重建往往需要進行外科手術(shù)。因此，理想的心血管修補材料需要具有持久性、防退化和感染、無毒、不引起免疫排斥，有較好的可塑性以便適應(yīng)不同類型、尺寸的心臟和血管。另外還需要能夠與周圍組織縫合并且避免出血等特點[17-18]。

臨床上所用的心臟瓣膜，包括機械瓣、生物瓣等，屬于植入材料，不能隨著機體的生長而變化，也不能修復(fù)損傷的組織，只能替代，因此，兒童瓣膜植入患者往往需要多次外科開胸手術(shù)，給患者帶來極大地創(chuàng)傷[19]。組織工程學(xué)領(lǐng)域致力于研究通過細胞接種在類似心臟瓣膜形狀的PHA上，形成可生長的、有功能的心臟瓣膜來替代傳統(tǒng)的機械瓣和生物瓣膜[20]。一些材料已經(jīng)應(yīng)用于臨床上，包括細胞外基質(zhì)、聚羥基乙酸、聚乳酸、聚己酸內(nèi)酯和PHA，這些材料為細胞的增殖和分化提供了舒適的環(huán)境。有研究表明，一些組織工程心臟瓣膜體積隨著時間的推移在不斷地膨脹。由聚羥基乙酸融合聚4-羥基丁酸脂制作的三尖瓣膜，在植入體內(nèi)2周后，直徑由19 mm長到23 mm，意味著有希望創(chuàng)造一個可以隨著身體的生長而生長的心臟瓣膜[21]。

心臟大血管疾病譬如主動脈夾層等在很多情況下需要植入人工血管，和通常的大直徑合成材料相比，小直徑植入材料(<6 mm)往往不能完全內(nèi)皮化，因為存在低流量很快阻塞的問題。針對此類問題，研究者們通過改變PHA材料的組成，制作了與自然血管依從性更好的血管，并且已經(jīng)被FDA批準上市使用。通過調(diào)整PHA單元的組成成分，可以制作具有良好機械性、生物相容性、隨時間變化的血管材料，這擴大了組織工程學(xué)中PHA在心血管方面的應(yīng)用[22]。目前，PHA材料在血管組織工程學(xué)方面的應(yīng)用所面對的主要挑戰(zhàn)是匹配不協(xié)調(diào)。一些方法已經(jīng)在開發(fā)應(yīng)用解決此類問題，包括諸如利用電紡絲和3D打印技術(shù)制造具有良好機械性的支架材料[23]。隨著PHA表面改性等方法的應(yīng)用，能夠極大地提高PHA的生物相容性，并且拓展它們在心血管組織工程方面的應(yīng)用。

7結(jié)論與展望

許多研究表明，PHA及其衍生品可以成為非常有用的材料應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。通過改變它們的單體結(jié)構(gòu)、單元含量以及表面改性，幾種單體相互混合，可以得到生物相容性更好、機械強度更高、降解更迅速、可塑性更好的生物醫(yī)用材料。隨著科技的發(fā)展，研究的不斷深入，有理由相信，在不久的將來，會有更多的PHA材料應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

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Introduction and Application in Cardiovascular of Microbial Polyhydroxyalkanoates

XU Shijun, MU Junsheng

(DepartmentofCardiacSurgery,BeijingAnzhenHospital,CapitalMedicalUniversity,BeijingInstituteofHeart,LungandBloodVesselDiseases,Beijing100029,China)

【Abstract】The biomanufacturing industry,also called “white biotechnology” includes biofuels, biomaterials and biochemical.With the exhaustion of oil resources, researchers have been committed to the research and development of renewable resources at home and abroad.Due to this,there has been rapid development in the biomanufacturing industry.Being a family of biopolyesters with biodegradability, biocompatibility and chirality, microbial polyhydroxyalkanoates have become one of the focuses of biomanufacturing today and received much attention in biological and medical applications.In this review, we describe the most recent polyhydroxyalkanoates developments including new applications in cardiovascular field.

【Key words】Polyhydroxyalkanoates; Cardiovascular; Medicine; Cell culture

收稿日期：2015-06-26修回日期：2015-09-09

【中圖分類號】R318.08；R54

【文獻標志碼】A【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2016.02.000

作者簡介：許士俊(1990—)，在讀碩士，主要從事心肌再生的研究。Email: shijxu116@126.com通信作者：穆軍升(1968—)，主任醫(yī)師，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，博士，主要從事心肌再生的研究。Email: wesleymu@hotmail.com

基金項目：2014年度北京市朝陽區(qū)科技計劃項目(SF1417)