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心血管传输研究杂志。2021; 14(3): 441–448.
2020年8月3日在线发布。 数字对象标识:10.1007/s12265-020-10063年
预防性维修识别码:项目管理委员会8219574
PMID:32748207

天然血管支架治疗细胞外基质光活化连接后动脉粥样硬化人动脉的保留功能

摘要

在这项研究中,我们在体外使用新鲜分离的人腘动脉研究了天然血管支架(NVS)对血管功能的治疗。动脉接受腔内NVS治疗,NVS由一种化合物(4-氨基-1,8-萘酰亚胺)组成,该化合物通过放置在动脉内的450-nm发光纤维进行光激活。这一过程导致细胞外基质蛋白之间的共价连接,以在血管成形术后实现更大的血管直径并最大限度地减少弹性反冲。NVS治疗后,立即从治疗的动脉上切下环,并将其安装在器官浴中,用于对U46619和硝普钠的收缩性测试。我们还研究了NVS治疗对NVS处理后4小时器官培养后血管环释放IL-6细胞因子的影响。根据我们的结果,我们得出结论,血管暴露于NVS治疗不会对血管平滑肌的收缩反应产生不利影响,也不会产生促炎作用。

关键词:炎症、天然血管支架、外周动脉疾病、血管反应性

介绍

根据最近的估计,大约850万40岁以上的美国人和全世界2亿多人患有各种形式的外周动脉疾病(PAD),影响下肢[1,2]. 除了行走功能逐渐下降和生活质量差外,PAD患者的心血管死亡率和发病率也增加[]. 目前,PAD是最昂贵的医疗适应症之一,随着人口老龄化,它很可能成为主要的经济和医疗负担[4].

在过去的几十年里,PAD主要通过微创球囊血管成形术和支架置入进行治疗。缺血肢体的血运重建是PAD治疗的基石,因为如果没有PAD,许多患者将在确诊后的1年内进行主要肢体截肢[5]. 尽管血管内再血管化治疗比药物治疗更有效,但仍与严重并发症相关,即再狭窄和需要重复血管化治疗[6,7]. 冠状动脉支架术在长期血管通畅方面显示出良好的效果,当代支架的使用显著降低了冠状动脉再狭窄的发生率[8,9]. 然而,由于下肢动脉处于一个独特的动态环境中,在每一次肢体屈曲时都会发生广泛的变形、扭转和压缩,因此在外周动脉中植入支架常常会导致血管剥离[10,11],支架错位[12]、和断裂[13]均与再狭窄和再闭塞有关,因此,通畅率较低。因此,这些手术与股腘动脉再狭窄相关,再狭窄的发生率高达40%[6,7,14,15]. 因此,寻找新的治疗方法来替代支架治疗引起了人们的兴趣。

目前正在使用和开发的血管成形术球囊涂有抗增殖剂,靶向血管壁的增殖细胞成分,以减少因介入治疗引起的增生和炎症而导致的再闭塞[1618]. 紫杉醇已成为外周动脉最有效的抗再狭窄药物[19]但最近Katsanos及其同事观察到大截肢率较高,死亡率增加,这引起了人们对其安全性的担忧[20]. 尽管在减少再狭窄方面非常有效,但由于许多涂有细胞毒性药物的支架具有刚性,它们也会损害血管壁的功能反应性,最终破坏血流恢复所允许的生理愈合过程。因此,研究工作的重点是开发创新疗法,解决血管内手术的局限性,以改善PAD患者的预后,从而提高其生活质量。对于外周手术而言,一种很有希望的替代刚性支架的方法是靶向天然结构蛋白,如胶原和弹性蛋白,这些天然结构蛋白在球囊扩张后存在于血管壁的细胞外基质(ECM)中。天然血管支架(NVS®,Alucent Biomedical,犹他州盐湖城)用作球囊血管成形术的辅助物,可将光活化药物输送至病变部位,在腔内放置的光纤发出450-nm波长的光激活后,在ECM的氨基酸组分之间形成共价键,从而形成一个天然、灵活的支架,维持管腔大小,同时保持动脉壁的自然生物力学行为[21,22]. 这项技术目前正在临床开发中进行评估,有望成为支架植入的替代品。

本研究的目的是研究NVS治疗是否影响体外新鲜分离的人腘动脉段外周动脉的平滑肌收缩性和炎症反应。

方法

材料

光活化小分子(4氨基-1,8-萘酰亚胺或10-8-10)、NVS溶液(2 mg/mL 10-8-10溶于磷酸盐缓冲盐水(PBS))、光纤和光源由Alucent Biomedical提供。血栓素A2模拟物U46619来自R&D Systems(英国牛津郡),硝普钠(SNP)和乙酰胆碱来自Sigma-Aldrich(英国多塞特郡)。对于U46619,在DMSO中制备1-mM储备溶液,而在去离子水中制备SNP(100μM)和乙酰胆碱(10μM)。所有储备溶液在使用前均保存在−20°C。用于有机培养实验的细胞培养基(Gibco)来自Thermo Fisher(英国)。96孔板来源于Costar,Corning Incorporated(英国)。

所有器官浴和培养实验均在REPROCELL Europe Ltd.(英国格拉斯哥)进行,而荧光和多光子成像则在Alucent Biomedical进行。

组织制备和天然血管支架治疗

根据REPROCELL的人体组织方案TPO-059-UK,尸检时获得了新鲜的人类腘动脉(5名捐献者,年龄在55至82岁之间)。所有捐献者都有严重的心脏和其他健康状况,包括冠状动脉疾病、充血性心力衰竭、心肌梗死、慢性阻塞性肺病、心脏支架,2型糖尿病和终末期肾病。所有切除的动脉都保存在Dulbecco改良鹰培养基(DMEM;Thermo Fisher,英国)的湿冰上,直到使用。

到达实验室后(冷缺血时间26至46小时),立即将腘动脉置于含有119.0 mM NaCl、4.7 mM KCl、1.2 mM MgSO的冷生理盐水溶液中4,24.9 mM NaHCO,1.2 mM千赫2人事军官4,2.5 mM氯化钙2和11.1 mM葡萄糖,从周围组织中剥离并切割成约3-4 cm长的片段。前面已经详细描述了实验方法[21]. 简言之,腘段连接在灌注器官室两端的套管上,用于腔内给药。将插管段随机分配给4个实验组中的1个:(1)用2 mg/mL NVS溶液孵育5分钟(n个 = 5) ,(2)用2 mg/mL NVS溶液培养5分钟,并用1分钟450 nm腔内光激活(n个 = 5) ,(3)与载体(PBS)孵育5分钟(n个 = 5) 和(4)用载体(PBS)孵育5分钟,并用450-nm腔内光激活1分钟(n个 = 4). 治疗后,每个实验组的节段被切成四个2-3mm的环,每组一个环,立即进行组织学研究,以及荧光和多光子成像,以研究药物渗透,并确认NVS治疗后胶原和弹性蛋白的光激活连接导致的ECM密度变化,器官培养实验中每组一个环,器官浴实验中每组最后两个环。

组织学方法

将每个动脉环在液氮(LN2,Technifab)中快速冷冻,使用Leica CM1850低温恒温器将其冷冻成5或10μm厚的切片,并在没有盖玻片的情况下粘附在带电玻璃载玻片上。5μm厚的切片用苏木精、伊红和Masson三色染色,进行描述性组织学和形态计量学分析。使用Newcomer Supply(Middleton,WI)的试剂和染色方法进行组织化学染色,并进行适当的对照。在蔡司Axio扫描上对染色部分进行成像。Z1亮场设置。使用10μm厚的切片,通过蔡司Axio扫描确定动脉壁10-8-10的穿透深度。Z1和用于激发波长450–490 nm的滤波器。使用ZEN 2.5 lite软件(德国蔡司)中的剖面特征,通过比较经PBS处理的动脉环和经NVS处理动脉环的自体荧光来量化10-8-10穿透深度。

对于二次谐波产生(SHG)成像,将10μm厚的载玻片置于培养皿中,并在载玻片上方至少1-2 cm处覆盖PBS。在Bruker Prairie多光子共焦显微镜上用钛宝石可调谐激光器进行了SHG成像。显微镜设置如下:×25尼康物镜,激光波长设置为800 nm,功率设置为150,像素驻留时间为20.8 ms,采用377/50的SHG立方体旁路滤波器反向PMT检测方法。所有图像均在恒定功率和波长下采集。为了不使检测器过饱和,需要进行小的设置调整。使用FIJI/ImageJ计算动脉截面的强度值。

器官浴实验

将每组的两个环安装在含有生理盐水的25毫升器官浴中(西班牙巴塞罗那Panlab SI),并用95%氧气的混合气体进行氧化2和5%CO2并保持在37°C的温度下,以记录血管收缩性的等长张力。使用等长换能器(TRI202PAD,Panlab SI,Barcelona,Spain)检测张力变化,并使用PowerLab16/35数据采集软件(ADInstruments)处理输出信号。在LabChart软件(7.3.8版,ADInstruments)上记录输出。

使动脉环平衡至少30分钟,拉伸至1.0 g(±0.1 g)的标准张力,并达到稳定的张力。然后将每个环暴露于高钾盐水溶液(KPSS)(62.5mM)中,其间依次洗涤。在用高钾盐溶液进行拉伸和反应性测试后,对环进行血栓烷类似物U46619(100 pM至100 nM)浓度的增加,以引起收缩反应。对于每种浓度,将环暴露至少5分钟,或直到反应达到稳定后再添加下一浓度。在U46619曲线的末尾,向每个浴中添加乙酰胆碱(10μM),然后添加高浓度硝普钠(SNP,100μM)以诱导最大松弛,并使响应达到稳定。分析每个浓度下的最大收缩或松弛值,并将这些值转换为最大高钾盐溶液响应的百分比。腘窝血管环n个 = 5名供体用于收缩性研究;10个复制环/供体=在每种条件下研究每个供体片段的2个环,除非环在测试开始时没有因高钾盐溶液(62.5 mM)而收缩。

有机培养实验

每个实验组的一个动脉环在37°C的DMEM培养基中,在含5%CO的湿空气中培养4小时2在使用Luminex xMAP兼容微珠技术(Luminexcorp)在Luminex Magpix系统上通过多重ELISA分析白细胞介素-6(IL-6)之前,收集上清液并储存在−80°C下。每种分析物都是通过在相同的96 well分析板上生成的标准曲线进行插值来量化的。

统计分析

对所有条形图(图2,,4,4、和和5)5)器官浴累积剂量-反应曲线(图). 值˂0.05被认为具有统计学意义。所有分析均使用GraphPad Prism软件(8.2版,GraphPad-software Inc.,加利福尼亚州圣地亚哥)进行。

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用NVS、NVS+光、PBS或PBS+光预处理的离体人腘动脉环达到1 g(±0.1 g)张力所需的拉伸(μm)。所有组显示出相似的拉伸性能

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用NVS、NVS+光照、PBS或PBS+光照预处理的人离体腘动脉环在100 pM至100 nM浓度范围内对U46619的累积剂量-反应曲线。结果以最大高钾盐水溶液响应的百分比表示。显示每个数据集的非线性回归。使用Dunnett的特别测试进行的双向方差分析表明,各组之间没有显著差异

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高浓度硝普钠(SNP 100μM)对NVS、NVS+光、PBS或PBS+光预处理的人离体腘动脉环的影响。在给药硝普钠之前,用U46619(100 nM)对所有环进行激发。结果表示为最大U46619收缩反应的松弛百分比

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人离体腘动脉环培养上清液中IL-6的水平(n个 = 3) 用NVS、NVS+light、PBS或PBS+light进行预处理

结果

组织学研究

在实验治疗后,准备每个动脉环的横截面进行组织学检查,以验证是否存在动脉粥样硬化疾病,阐明药物分布,并确认NSV治疗后ECM中的光激活诱导变化。如图所示1,苏木精和伊红(图c)和Masson三色染色(图d)显示,在每个治疗的血管环中都存在显著的动脉粥样硬化疾病。基于荧光成像,并与PBS+光处理的环的自体荧光进行比较(图b),可激活的10-8-10均匀分布在动脉壁上(图a)。最后,多光子成像显示,与PBS+光照治疗的环相比,NVS+光照处理的动脉(图e)中的内侧纤维网络密度更高(图f)。

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代表性荧光成像显示光活化化合物穿透动脉壁()与对照组织的自体荧光相比较(b条)苏木精和曙红(c(c))和马森三色(d日)染色显示治疗环和(e(电子))与对照组相比,典型的多光子成像显示NVS+光处理动脉中的内侧纤维网络密度更高((f))

器官浴研究

根据每个动脉环达到1 g张力所需的拉伸程度进行测量(图2)与PBS±光照预处理的环相比,NVS±光照的预处理没有改变环的膨胀性( = NS)。表示为KPSS最大响应的百分比(平均值为NVS=1.88;NVS+灯=1.28;PBS=1.21;PBS+光=1.29),所有环在所有U46619浓度下表现出相似的收缩反应,pEC50和电子最大值值表表1)。1). U46619的累积剂量-反应曲线如图所示.

表1

pEC50和电子最大值每组U46619的值

NVS公司NVS+灯美国公共广播电视公司PBS+灯
pEC公司508.138.208.027.89
电子最大值263.1228.1351.8353.1

在U46619治疗后,立即用乙酰胆碱(10μM)和SNP(100μM)攻击这些环,以确定NVS治疗是否改变了它们的松弛特性。如图所示4,在所有组中观察到对SNP的类似松弛反应( = NS),表明NVS±光治疗不影响平滑肌松弛。然而,当环受到乙酰胆碱的攻击时,在任何环中均未观察到松弛(数据未显示),这可能表明尽管小心处理组织,但由于动脉粥样硬化导致内皮细胞受损。

器官培养研究

为了确定NVS治疗是否与炎症增加有关,我们测量了从培养的腘动脉环收集的上清液中IL-6的水平(图5). 发现所有组的IL-6水平相似( = 尽管NVS±光照组的数值略低于PBS±光照治疗组的数值,但表明NVS治疗不会增加炎症,甚至可能发挥抗炎作用。

讨论

天然血管支架使用一种小分子(取代的1,8-萘酰亚胺),该小分子在光激活后催化ECM中存在的胶原蛋白和弹性蛋白之间的连接,从而稳定这些结构蛋白,并在不改变处理血管的自然生物力学的情况下产生支架效应[21,22]. 由于弹性蛋白和胶原蛋白之间的联系,弹性蛋白纤维被拉长,防止了通常在经皮腔内血管成形术后不久观察到的弹性反冲[23].

本研究旨在研究NVS治疗下新鲜分离的人腘动脉的平滑肌收缩特性。主要发现如下:(1)轻活化化合物在动脉壁上的药物分布均匀,(2)治疗后的动脉呈现出更致密的内侧纤维网络,(3)NVS没有改变动脉的血管平滑肌收缩和舒张特性,(4)使用NVS无促炎反应。总的来说,我们的结果表明,NVS治疗可以在不改变动脉粥样硬化血管壁血管炎症的情况下,使人腘动脉的功能性收缩正常。这些发现支持NVS治疗可能成为目前治疗下肢PAD的血管内设备的一个有吸引力的替代方案。

使用猪颈动脉的实验研究结果表明,NVS球囊血管成形术和NVS治疗后的管腔增益明显大于单独血管成形术[21,22]管腔增益与动脉壁硬化无关。这些结果也证实了NVS只有在被光激活时才有效。单独暴露在光下不会影响管腔增益[22]. 我们的研究结果证实,NVS治疗不会改变人腘动脉的扩张性,因为它与PBS治疗的对照动脉的扩张程度相同。尽管来自不同血管床的动脉之间的力学特性可能显示出一些固有的差异,例如肌肉性股腘动脉和弹性颈动脉,由于它们各自的动脉壁组成,NVS治疗并未对人类腘动脉的血管特性产生不利影响。此外,NVS治疗还保留了平滑肌的功能,因为动脉在受到血栓素A浓度增加的挑战时保持了其收缩特性2类似物,U46619及其在SNP作用下的血管舒张特性。然而,NVS治疗组和任何对照组的动脉对乙酰胆碱刺激均无反应。这可能是由于存在动脉粥样硬化和由此导致的内皮功能障碍。

除了评估NVS对血管反应性的影响外,我们还确定了治疗是否与炎症反应增加有关。在器官培养条件下,隔离的动脉粥样硬化血管段经4小时培养后释放的IL-6已被用作动脉粥样硬化引起的血管炎症的可靠指标,或用于测量炎症的变化,作为对治疗的反应[24,25]. 在一项多种族的动脉粥样硬化研究中,IL-6最近也显示出与动脉粥样硬化性心血管疾病事件有着强烈而独立的联系,该研究包括6000多名参与者[26]. IL-6测量改善了心力衰竭、中风和全因死亡率的预测,尤其是在他汀类药物使用者中[26]. 根据IL-6免疫测定,NVS没有增加IL-6的分泌,因为其水平与PBS治疗的动脉相似。有趣的是,在NVS治疗样品中,IL-6水平在数值上较低,这表明该治疗具有潜在的抗炎作用。然而,由于样本量较小,尚不清楚这是由于真正的抗炎作用,还是由于潜在动脉粥样硬化疾病固有的血管壁现有炎症的可变性所致,这也可以通过乙酰胆碱缺乏内皮依赖性关系来证明。

该研究的主要局限性在于:(1)我们的结果来源于体外实验,无法直接推断到人类;(2) 由于我们模型的急性性质,尚不清楚这些影响是否会转化为NVS治疗的长期益处;(3)我们仅通过释放细胞因子IL-6来评估NVS介导的炎症。然而,由于使用了患病的人类腘动脉而非动物动脉,我们相信,在我们进行临床研究的过程中,我们的观察为NVS治疗的转化安全性提供了重要的见解。

总之,NVS治疗在不增加炎症反应或血管僵硬的情况下保留血管功能方面表现出良好的前景。因此,我们的研究结果表明,NVS治疗与支架植入术相比,无论是否使用细胞毒性药物,都有明显的区别,以支持维持血管通畅作为标准的血管内操作。支架效应的耐久性已经在慢性动物研究中进行了研究,该技术的临床测试最近已经开始。

致谢

我们承认犹他大学的细胞成像核心使用了设备、徕卡CM1850低温恒温器、蔡司Axio扫描Z.1和布鲁克草原多光子共焦显微镜。我们感谢Ervin Mezody建造了器官室,使血管内技术能够进行体外测试;Mike Bridge和Chris Rodesh使用犹他大学成像核心实验室设备提供帮助;以及Danielle Libersan博士,感谢她帮助准备手稿。

缩写

发动机控制模块细胞外基质
白介素-6白细胞介素-6
NVS公司天然血管支架
衬垫外周动脉疾病
美国公共广播电视公司磷酸盐缓冲盐水

资金筹措信息

这项研究得到了Alucent Biomedical Inc.的支持。

遵守道德标准

所有程序都符合人体实验责任委员会(机构和国家)的道德标准以及2000年修订的1975年《赫尔辛基宣言》。人体组织是从CAP(美国病理学家学院)认可的组织采购计划的REPROCELL组织网络获得的。本研究通过宾夕法尼亚大学机构审查委员会和苏格兰西部研究伦理委员会提供的伦理批准收集并使用了组织。捐献解剖礼物的书面授权和组织研究使用的同意书,在采集点恢复之前,根据所有当地法规从组织捐赠者或捐赠者的近亲处获得。

利益冲突

Ejaz Ansari是REPROCELL Europe Ltd.的员工。Blake Anderson和Katalin Kauser是Alucent Biomedical Inc.的员工。

脚注

出版商备注

Springer Nature在公布的地图和机构关联中的管辖权主张方面保持中立。

工具书类

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文章来自心血管转化研究杂志由以下人员提供施普林格