骨骼组织工程已经成为再生医学,特别是肝组织的基础研究领域。 肝脏复杂的血液供给是其代谢、解毒和内分泌功能的核心,在工程组织中复制这种复杂的血管网络仍然是一项艰巨的挑战。 最近的进展旨在建立功能稳定血管网络,与原生肝组织无缝结合,为改进肝脏移植结果、生物人工肝器和药物测试平台铺平道路。 文章回顾了肝脏血管组织工程的现状,重点是脚手架设计、生物印记、干细胞技术以及临床翻译必须克服的持久障碍。

了解肝脏的血压

肝是体内血管化程度最高的器官之一,接受的心律输出约为25-30%。肝脏有双重血液供应:肝动脉(氧富源)和门静脉(营养富源),这些血管分支进入门庭三合体,最终注入肝脏鼻索,与雌性内皮细胞相连的专用毛细管通道。这种内皮细胞,加上缺乏连续的地下室膜,使得血液和肝细胞之间能够高效地交换代谢物和大分子。鼻索排入中央血管,形成肝脏血管。血液流动的空间组织在肝脏球细胞上产生氧气和营养梯度,导致肝细胞功能的分化(如:肾细胞,肾细胞在细胞内皮细胞进行脱氧)。

对于组织工程来说,不仅重塑宏观结构,而且重塑微血管组织也是至关重要的。 血管化效率低下导致中心坏死、结构尺寸有限和遗传性差。 模仿雌性内分泌、控制氧气梯度以及建立稳定、长期的输液是基本的设计标准。

最近在瓦斯脚手架设计方面的进步

脚手架为细胞附着、迁移和血管网络形成提供了结构框架。最近的创新侧重于积极促进血管生成而同时以与组织再生相匹配的速度降解的材料。生物可降解聚合物,如多卡普罗尔酮(PCL)、多(乳糖-共糖酸)(PLGA)、多(甘油酸)和多(甘油酸)等,已被广泛使用。它们可以被编成各种结构,包括多孔海绵、电子泉纳米纤维和3D打印的网格。 为了加强血管化,研究人员将血管内皮生长因子(VEGF)、纤维素生长因子(FGF)和肝细胞生长因子(HGF)等生物活性分子纳入支架。 使用肝素约束或微圈封装的受控制释放系统可以维持可引导新的血管螺旋的生长因子梯度。

细胞外基质(dECM)脚手架代表着另一个有希望的方向. 通过在保存原生血管结构的同时从捐献者肝脏中移除细胞材料,这些脚手架为种子细胞提供了自然的模板. 细胞内基质的再生策略显示肝功能部分恢复,但实现全内皮衬里和防止血栓化仍然是活跃的调查领域. 2021年的一项研究在生物材料[中表明,大鼠肝脏dECM脚手架与人类内皮细胞重聚可以持续排出长达14天(Biomatters,2021]].

微型脚手架和以频道为基础的脚手架

脚手架内部的预成型血管通道是确保即时输液的有效途径. 软脂和光刻印刷可以使水凝胶(如:焦糖、纤维素或胶原蛋白)产生微流体网络。这些网络可以与内皮细胞排成功能性容器的流体。通过连接输液管和输液管,氧气和营养物可以深入构造。最近的工作还引入了“血脂-上-a-芯片”的概念,将多种细胞类型(如:肝细胞、细胞、Kupffer细胞)与血管隔间结合,从而能够在更生理上的相关背景下研究药物引起的肝脏损伤。

3D 生物印记技术

3D生物印表使将细胞和细胞外基质成分以微米精度放置的能力发生了革命性的变化,形成了复杂的,层次分明的血管网络. 两种主要方法包括挤压生物印表和数字光处理(DLP). 挤压生物印表使用细胞拉式生物汇合器(如白化、胶原或纤维素)逐层打印,一个重大进步是使用牺牲生物汇合器(如Pluronic F127或胶原)打印临时通道,这些通道后来被疏散,留下空心血管通道,然后通过渗透而实现内皮化.

DLP 打印使用光镜一次治愈整个层,可以更快地制造和更高的分辨率. 研究人员打印了类似肝球状构造,其模式重复为六边形肝细胞区和类似脉冲的中央通道. 在高级保健材料[ 出版的2022年论文中,一个团队打印了一个血管化肝组织模型,显示与本土组织相当的静脉分泌和细胞色素P450活性14天[(Adv. Healthcare Mater., 2022]] 这些进步使田更接近于生产可移植的组织构造.

化粪池和蒸发

内皮细胞对内衬血管结构至关重要,获得足够数量和质量的内皮细胞是一个瓶颈。诱导多力干细胞(ipSC)衍生的内皮细胞(ipSC-ECs)已经成为一种可伸缩源。 iPSC-EC可以高纯度生成,并可用于建立患者特有的血管网络,从而有可能减少免疫排斥。它们已被证明在适当的流体凝胶中种子时可以自我组装成类似毛细管的网络,这种过程被称为导脉血管生长。

与间质干细胞(MSC)或过膜细胞的共培养能增强血管稳定性和成熟性. MSC 分泌亲阳性因子(如VEGF, angiopoietin-1),并可分化成平滑的肌肉状细胞,稳定新生的血管. 一项研究强调,必须制定标准化协议,以产生和评估血管化组织构造的内质功能(Stem Cells Transl. Med., 2023]。

挑战与未来方向

尽管取得了进展,但必须解决若干障碍才能使血管化肝组织工程成为临床现实。 Thrombosis仍然是一个关键问题;暴露的脚手架表面或内皮覆盖不完整可触发血块形成,导致隔离。内皮化必须完整且功能完善,表达血红蛋白等抗凝血因素。免疫排斥是另一个问题,特别是对肾色细胞而言。使用自旋的iPSC-衍生细胞或免疫-致癌策略可能会减轻这一问题。]在大型构造中,氧化物和营养梯度[在血管网络中,扩散距离可能超过200微米,造成中央缺氧。通过血管网络提供凝血流的微生物设计可以帮助,但可放大临床相关体积(从体积到体积),具有挑战性。

工程船的长期性尚未超过几周。船只可以重塑、退缩或渗漏。需要皮细胞和光滑肌肉细胞来进行机械支撑和屏障功能。 从小动物模型到人大小的伸缩 提出了流速、压力和血管树枝复杂性等问题。先进的成像和计算流体动力学正在被用来设计分支模式,以尽量减少剪切热点的压力。

未来方向包括开发在血管前化,首先将脚手架植入血管丰富的场所(如骨髓),允许宿主容器生长,然后植入和转移,这一策略利用身体的自然愈合反应。 基因编辑,像CRISPR-Cas9这样的工具正在探索,以便在内皮细胞中敲击亲存活因子或击出免疫性上皮。 组织血管化是另一个前沿:从多产于多产干细胞的肝脏有机物现在可以与内皮细胞和中皮细胞结合,形成微真空,尽管与渗透系统融合仍然难以实现。

临床翻译[需要标准化制造,强力质量控制,监管批准. 含有血管化组织模块的生物人工肝脏支持装置可以为等待移植的患者争取时间. 野外正在从概念证明转向早期可行性研究,预计在未来5到10年内将进行血管化肝构筑的首次临床试验.

结论

血管组织工程的进步正在稳步克服肝组织工程的血管化瓶颈。 脚手架设计、3D生物印记、干细胞生物学和肝血管生理学的更深入理解正在趋同,从而能够创造功能性、可移植的肝组织。 血栓、免疫排斥和扩张等挑战依然严峻,但工程师、生物学家和临床医生之间的跨学科协作继续推动进步。 持续的研究最终将产生有效的治疗方法,帮助治疗末期肝病,减轻移植等待名单的负担,并改善患者的结果。