近期，中国医学科学院阜外医院潘湘斌教授和生物医学工程研究所王伟伟教授在科爱创办的期刊Bioactive Materials上联合发表封面文章：完全可降解室间隔缺损封堵器。临床所用金属封堵器存在镍过敏、心肌磨损和心律失常等风险。作者研发了一种完全可降解封堵器，该封堵器由聚对二氧环己酮（PDO）骨架和左旋聚乳酸（PLLA）阻流膜组成。与镍钛合金相比，PDO显著缓解炎症反应，减轻纤维化并促进内皮化。大动物室间隔缺损模型和5例患者均在超声引导下成功植入，证实了PDO封堵器的安全性和有效性。
研究内容简介
室间隔缺损 (VSD)是最常见的先天性心脏病之一。过去的几十年里，经导管封堵VSD相比于开胸手术具有微创、并发症少等优点，已成为一种优先的治疗方法。目前上市的VSD 封堵器由镍钛合金制成。然而，永久遗留在心脏内的金属残留可能会导致镍金属过敏、心肌磨损、瓣膜损伤、传导阻滞和血栓栓塞等严重并发症，总体发生率高达0.1% ~ 8.6%，主要归因于金属封堵器镍离子的长期释放、对周围心脏组织的持续压迫、无法缓解的炎症反应和延迟内皮化过程等因素。
可降解材料的出现提供了一种富有前景的方式避免体内永久金属植入物。可降解材料，如左旋聚乳酸（PLLA）和聚二氧环己酮（PDO）具有良好的生物相容性，可在体内完全降解成二氧化碳和水，自1980年代以来已被FDA批准应用于外科缝合线和血管内支架。前期临床试验证明了 PLLA 和胶原两种封堵器在房间隔缺损 (ASD) 封堵中的可行性和安全性。然而，目前可降解的封堵器保留了金属支架提供机械支撑和增强 X 射线可见性，不能完全降解，仍然面临金属封堵器的上述风险。此外，与ASD相比，VSD具有更复杂的解剖结构（如更靠近房室瓣和传导通路），血流动力学的影响更大，这对VSD可降解封堵器的形态设计、力学性能和促内皮化进程提出了更高的要求。因此，使用完全可生物降解的封堵器封堵 VSD 仍然是一项重大的临床挑战。
为了解决镍钛合金封堵器残留在心脏的问题，作者研发了一种完全可降解的PDO封堵器，用于经导管VSD封堵 (图1)。双盘形PDO封堵器由骨架和阻流膜组成。结果表明，PDO具有良好的力学性能、几何适应性、生物相容性和降解性。皮下埋植表明，与镍钛合金相比，PDO纤维可以显著缓解炎症，募集促修复M2巨噬细胞，减轻纤维化并促进内皮化。PDO封堵器超声引导下成功植入犬VSD模型中。3年随访显示PDO封堵器可诱导心脏组织再生。封堵器促内皮化进程快于降解过程，保证无残余分流或位移发生。随着封堵器的降解，偶发心律失常的发生频率降低，未见致死性心律失常。在5例VSD患者的临床试验中，所有封堵器都在超声引导下成功植入，3个月随访无残余分流、瓣膜损伤和致命心律失常等不良事件。总之， PDO封堵器在VSD治疗中表现出优于镍钛合金的安全性和有效性，为进一步的大规模临床试验提供了很大的希望。
图1：PDO封堵器设计示意图。(A) PDO封堵器与镍钛合金相比，能明显缓解炎症，促进内皮化。(B) PDO封堵器的安全性和有效性在大鼠皮下埋植模型、犬VSD模型和5例VSD患者的临床试验应用中得到验证。(C) 犬VSD模型3年随访显示了PDO封堵器诱导心脏修复的过程。
一、完全可降解室间隔缺损封堵器的制备
首先，PDO单丝通过熔融纺丝制成，将分子量为180 kDa的PDO颗粒加热至160 °C，熔化后，从纺丝机中挤出，在水浴中冷却，形成直径为0.15 mm的单丝。将长度为单丝编织成网管并放入设计好的模具中，加热至 100 °C 60 分钟，冷却至室温以形成双盘形状。随后将两片厚度为0.1 mm的PLLA熔融纺丝封堵膜，激光切割成匹配的尺寸，并用PDO单丝固定在圆盘和封堵器的腰部。
PDO 材料的形状记忆和弹性不如镍钛合金，这可能会导致封堵器从导管中释放后无法复形。为加强PDO骨架的几何适应性，作者在左侧伞盘上编织了一条PDO单丝制成的塑形线。封堵器从导管中展开后，可将其收紧以压缩和塑形伞盘。值得注意的是，作者移除了所有金属标记，赋予了 PDO 封堵器完全的生物降解性。
拉伸试验的表明PDO单丝拉伸强度和断裂伸长率分别为200.17 mPa和38.6%，符合封堵器强度需要。经过950万次3000N负荷的疲劳试验，PDO封堵器的结构完好无损。显微镜检查未见封堵器断裂、破裂或脱层，说明PDO封堵器能够适应心室内的血压，无变形和断裂。
图2：PDO封堵器的设计、性质、生物相容性。(A, B) PDO封堵器及输送系统的设计。(C)成型线收紧前（上图）和收紧后（下图）封堵器释放的形态。(D) 1H-NMR; (E) XRD; (F) TGA; (G) GPC; (H) DSC。(I)PDO单丝拉伸试验。(J)抗疲劳试验后PDO封堵器右侧伞盘显微图像。(K) CCK-8测定生物相容性。(L) PDO溶血试验。
二、大鼠皮下埋植评价体内炎症、促内皮化反应
为了进一步评估体内生物相容性，将PDO单丝和镍钛合金植入皮下。Masson三色染色显示，1周、1个月和3个月时，镍钛合金组胶原蛋白分布密度明显高于PDO组，表明PDO引起的异物反应和纤维化包裹更轻。H&E染色进一步显示在1周和1个月时，镍钛合金组中以中性粒细胞和巨噬细胞浸润为特征的炎症区域显著大于PDO。这些数据表明，与镍钛合金相比，PDO 可以诱导强度较低且持续时间较短的炎症反应，显示出更好的生物相容性。
图3：PDO在大鼠皮下埋植模型中减轻纤维化和炎症。(A) PDO和镍钛合金丝皮下埋植示意图。(B) 假手术组、PDO组、镍钛合金组组织分别在1周、1个月、3个月时进行Masson染色。(C) 对照组、PDO组和镍钛合金组胶原体积分数的统计分析 (n = 3)。(D)对照组、PDO组和镍钛合金组H&E染色的代表性图像。(E) 对照组、PDO组、镍钛合金组炎症面积分数统计学分析 (n = 3)。黑色虚线表示植入物和组织之间的界面。
巨噬细胞在异物反应中起核心作用，与炎症持续时间密切相关。PDO招募的巨噬细胞(CD68+)数量明显低于镍钛合金组。此外，更多的M2型巨噬细胞在PDO组中极化，表明PDO诱导促修复过程。免疫组化和WB进一步验证，CD68和iNOS的表达在镍钛合金组中显着上调，而CD206在PDO组中上调。这些结果表明PDO促进了体内的修复反应。
可生物降解材料有利于细胞粘附和浸润，可促进内皮化进程。与镍钛合金相比，PDO在1个月时显著增加了CD31+内皮细胞的浸润。WB显示CD31的表达水平在PDO组也显着上调，表明PDO有利于内皮细胞的粘附和浸润，可促进体内内皮化进程。
图4：PDO促进M2巨噬细胞极化和内皮化。(A) 1个月植入后CD206、CD68、iNOS免疫荧光染色，测量平均光密度(AOD) (n=3)。(B) Western blotting检测组织中CD68、CD206和iNOS蛋白表达水平 (n=3)。(C) 1个月时组织中CD31免疫荧光染色(n=3)。(D)组织中CD31蛋白表达水平(n=3)。白色虚线表示植入物和组织之间的界面。
三、犬VSD模型3年随访评价封堵器安全性和有效性
对于临床转化，作者进一步评估PDO封堵器在犬VSD 模型中的安全性和有效性。VSD通过穿刺室间隔和球囊扩张产生。在超声指导下经导管植入封堵器。所有封堵器都在第一次尝试中成功植入。第 1、3、6、12、24 和 36 个月时，3 只犬安乐死以评估PDO 封堵器体内情况。在大体检查中，封堵器在室间隔中的位置很好，无移位，封堵器表面未见血栓。随访过程中，PDO封堵器残留面积逐渐减少，内皮逐渐覆盖伞盘，提示存在降解和内皮化过程。
H&E染色显示随访期间心脏未发生严重炎症、血栓或心肌磨损。6 个月内观察到中度炎症反应。Masson染色显示内皮细胞从PDO边缘向封堵器的中心生长，胶原围绕着PDO形成。扫描电子显微镜显示PDO在3个月内保持内皮细胞包围，在36个月时完全降解，重建高度纤维化的微观结构，类似于天然心肌的结构。
图5：PDO封堵器植入犬VSD模型的安全性和有效性。(A) 1、3、6、12、24、36个月植入PDO封堵器的大体病理图。(B) H&E染色。(C)Masson染色。(D) PDO残留面积和内皮覆盖曲线。(E) 植入封堵器3个月和36个月时扫描电镜。(F) 降解和组织再生过程的示意图。
随访期间未观察到致命的心律失常。随着封堵器的退化，心律失常总频率随时间降低。超声显示封堵器处于良好位置并逐渐降解。心功能及形态均在正常范围内，血液检查和肝脏检查均未发现异常，表明 PDO封堵器在长期随访期间无毒性。
图6：犬VSD模型的心电图、超声和血液检查。(A) 随访时心电图代表性图像。(B) 超声图像及左右伞盘降解分析。白色虚线勾勒为封堵器轮廓。(C-E)超声心动图定量LVEF、LVFS、LVEDV、LVEDS、LVIDd和LVIDs (n=3)。(F-H) 血常规及生化常规检查 (n=3)。
四、5例VSD患者临床应用
为了进一步评估封堵器的安全性和有效性， 2020 年 4 月至 2020 年 7 月对 5 名膜周部 VSD 患者进行了超声引导下经导管植入。所有封堵器均成功植入。没有发生心脏骤停、主动脉或三尖瓣反流加重、心包积液或心包填塞等主要不良事件。
图7：PDO封堵器在VSD患者中的临床应用。(A) 超声指导下PDO封堵器植入手术。(B) 超声随访3个月结果。(C-H) 血常规及生化常规检查(n = 5)。
综上所述，PDO封堵器具有生物相容性、机械稳定性、降解性、缓解炎症反应和促进内皮化等优点，是一种富有前景的先心病治疗方式。作者预期PDO封堵器在未来的大规模临床试验中可以显示出安全性和有效性。
原文信息:
Li Z, Kong P, Liu X, Feng S, Ouyang W, Wang S, Hu X, Xie Y, Zhang F, Zhang Y, Gao R, Wang W, Pan X.
A fully biodegradable polydioxanone occluder for ventricle septal defect closure.
Bioactive Materials, 24 (2023) 252-262.
