透析用人工血管研发进展

黄巳悦，王惠明

武汉大学人民医院肾内科，武汉 430060

血液透析是终末期肾脏病患者肾脏替代治疗的主要方式。作为血液透析的“生命线”，血管通路的选择与建立至关重要，直接影响患者的生活成本和生存质量。永久性血管通路的构建有三种方式，分别为自体动静脉内瘘（AVF）、人工血管动静脉瘘（AVG）和中心静脉置管（CVC）。肾脏病预后质量倡议指南推荐AVF为血液透析患者首选的血管通路类型［1］，其具有良好的长期通畅性及较低的并发症发生率。然而，AVF成熟不良是一个难题，其成熟不良的发生率30%～60%［2］。这意味着部分患者需要在通路成熟前反复住院干预，以促进AVF的成熟。在等待成熟的时间里，患者不得不使用导管进行透析，这会使其暴露于CVC可能带来的难治性感染、中心静脉狭窄或闭塞等风险中。CVC手术简单便捷，术后即可用于透析，且对患者肢体血管条件要求低。适用于肢体血管条件差不能建立AVG和AVF、心功能差不能耐受动静脉分流的患者或临终前患者。然而，其术后致命性感染及心血管事件的发生率高［3］。此外，CVC术后中心静脉狭窄甚至闭塞的风险高，反复中心静脉狭窄和闭塞会消耗患者珍贵的中心静脉资源，导致患者无法再行血液透析治疗。AVG适用于自身血管偏细达不到建立AVF的条件、反复建立AVF导致自身血管资源耗竭或合并糖尿病、高血压等疾病导致自身血管破坏严重的患者。近年来，由于血液透析患者透析龄的延长，糖尿病、高血压等合并症的增加，AVG的使用逐渐引起重视［4］。然而，AVG使用过程中狭窄、血栓和感染等并发症的反复发作，致使患者不得不反复住院干预以维持内瘘通畅［5］。这极大的降低了患者的生活质量，增加了医疗费用及医疗资源的损耗。为了克服现有人工血管内瘘的缺陷与不足，一些新型人工血管正在研发之中。现将透析用人工血管研发进展进行综述。

1 人工血管表面改性

人工血管表面改性是指在膨体聚四氟乙烯（ePTFE）人工血管的管腔壁表面涂抹药物或生物活性因子，以赋予人工血管表面新的性能。这种方式可以在一定程度上提高人工血管的血液相容性，减少狭窄、血栓和感染等并发症发生。因其具有工序相对简单、成本不高且易批量获得等优点已经成为当前研究的一个热点。

1.1 肝素涂层的人工血管 肝素是一种功效强大的抗凝剂，临床上主要用于预防血栓的形成。肝素涂层的人工血管是目前唯一被批准用于临床的表面改性人工血管。与ePTFE人工血管相比，肝素涂层的人工血管通畅率提高了20%［6］。肝素涂层的人工血管在术后前5个月内能有效降低血栓形成率［7］。然而也有研究显示，肝素涂层的人工血管远期通畅率与ePTFE人工血管相比并无明显差异［8-9］。不同研究之所以得出相反的结论，可能与早期血栓的形成并非由通路狭窄导致有关。尽管肝素可以改善通路早期无狭窄时期的血栓形成，却无法改善通路中后期因内膜增生所致的通路狭窄，因此也不能很好地改善通路中后期因狭窄所致的血栓形成。由此可见，肝素涂层的人工血管对AVG术后远期通畅率的改善有限。目前多采用共价结合的方式将肝素连接到ePTFE人工血管表面，此种修饰方式使得肝素与人工血管结合的更加牢固，然而共价结合会改变肝素的结构，影响其抗凝性［10］。因此，既能使肝素牢固持久的结合于人工血管表面，又能发挥其强大抗凝性能的改性方式是未来研究的方向。

1.2 紫杉醇涂层的人工血管 紫杉醇是一种抗细胞增殖药物，紫杉醇涂层的人工血管通过抑制平滑肌细胞（SMC）的增殖和迁移，减少内膜增生，从而防止通路的狭窄。之前一项关于紫杉醇涂抹整根人工血管的大型临床实验被安全监测委员会叫停，因为发现其会导致患者感染率的增加。研究尝试在人工血管末端涂抹紫杉醇以减轻药物不良反应。在人工血管末端涂上紫杉醇可有效减少猪模型吻合口处的内膜增生，产生与紫杉醇涂抹整根人工血管相似的效果［11］。尽管如此，这种方式的安全性还需在进一步证实。

1.3 抗生素涂层的人工血管 将抗生素共价结合于人工血管管腔壁表面，可以降低人工血管的感染率。将利福平、米诺环素和氯己定三种抗生素共价结合的人工血管与ePTFE人工血管分别植入接种了金黄色葡萄球菌的猪体内，8周后，抗生素涂层的人工血管组感染率更低［12］。由此可见，抗生素涂层的人工血管在短期内能有效降低感染率，而此类人工血管的长期效果，不同种类抗生素的效用及安全性都缺乏实验数据，需在未来的研究中进一步证实。

1.4 生物活性因子涂层的人工血管 血管内皮生长因子（VEGF）通过与内皮细胞膜上的特异性受体结合，促进内皮细胞的生长与增殖。内皮细胞可以促进一氧化氮和前列腺素的分泌，抑制SMC的增殖，减少血小板的聚集，从而改善内膜增生和血栓形成。VEGF涂层的人工血管植入后可使人工血管表面拥有完整的内皮细胞层，这种人工血管更接近天然血管，具有良好的血液相容性。动物实验结果显示，VEGF涂层的人工血管体现了积极作用［13-14］，然而其有效性及安全性尚需在临床上加以验证。

2 组织工程材料

ePTFE是目前使用最广泛的人工血管材料，它是一种合成材料，具有价格便宜、易于制备、方便储存与运输等优点。然而，它也有合成材料固有的缺点。首先，合成材料缺乏形成稳定的内皮细胞层的能力。内皮细胞层的缺失使得大量有害的血管活性因子释放，进而促进SMC的增殖与迁移，导致内膜增厚和管腔闭塞。其次，合成材料黏附白细胞的能力弱，因此更容易感染；最后，血液透析需反复使用大口径针头对人工血管进行穿刺，合成材料容易因时间推移产生结构退化，导致假性动脉瘤的发生［15］。综上所述，合成材料已经不能满足对AVG通路低并发症发生率、低干预率的需求，将研究方向转向与天然血管更接近的组织工程材料。组织工程人工血管的制备主要有三种方式：经处理后的异体或者同种异体血管；有细胞种植的可生物降解支架；自体细胞培养的无支架细胞片血管。

2.1 生物工程人工血管 生物工程人工血管是将异种或同种异体血管进行化学和物理处理，对胶原纤维和弹性蛋白进行交联固定并清除某些活细胞成分。这种处理方式可以在去除生物血管抗原性的同时保留其完整的血管机械结构。经过处理后得到的生物工程血管具有良好的顺应性。目前牛的颈动脉、肠系膜静脉以及人的隐静脉、股静脉已经被批准用于构建AVG。研究显示，牛颈动脉、肠系膜静脉及人的股静脉与ePTFE相比具有微弱的通畅性优势，然而随着时间的推移容易有结构退化和动脉瘤风险［16-17］。人大隐静脉的通畅率与ePTFE相似，感染率远低于ePTFE［18］，虽未见其结构退化的报道，然而来源有限，成本较高等缺点限制了它在临床上的推广使用。此外，Omniflow和OmniflowⅡ血管分别由牛和羊的胶原蛋白围绕聚酯网支架生长而制成的生物工程血管。研究显示，其远期通畅率优于ePTFE人工血管，感染率低于ePTFE［19］。

2.2 脱细胞人工血管 脱细胞人工血管由种子细胞（SMC）和可降解的支架材料构成。其制备是将人类SMC接种到可生物降解的支架材料上，然后放置于生物反应器中培养。在这个过程中，种子细胞长出细胞外基质（ECM）及其余细胞成分，支架材料降解。之后通过物理、化学或酶等方法进行脱细胞处理去除其细胞成分以降低其免疫原性。ECM包括胶原蛋白，弹性蛋白等物质，可以维持血管的管腔结构，使血管具备一定的机械强度［20-21］。脱细胞人工血管模拟天然血管管壁的三层结构，具有良好的生物相容性的同时还具备血管的力学特性，可以承受一定的压力。Ⅱ期临床试验表明［22］，脱细胞人工血管术后6、12个月的初级通畅率分别为63%、28%，初级辅助通畅率分别为73%、38%，次级通畅率分别为97%、89%。只有1条血管受到感染，经手术矫正后依旧可以使用。检测了患者血清IgG水平证实没有全身免疫反应和炎症反应。此外，研究还在16和55周时分别对脱细胞人工血管组织进行了活检，发现血管的内皮化，且随着时间的推移还可以在体内进行血管的更新与重塑。老鼠模型研究显示［23］，脱细胞人工血管感染率和脓肿形成率明显低ePTFE。目前脱细胞人工血管已经进入Ⅲ期临床试验阶段，正在接受一项多中心的脱细胞人工植入和标准AVF术的大型随机对照试验的评估，预计将于2024年6月完成［24］。尽管脱细胞人工血管的研究已经取得突破性的进展，仍有许多问题尚需解决：尽管实验证实其植入后可以进行血管的重建，然而这种重建能否持续且稳定的发生仍是未知数，其结构的长期稳定性尚需临床长期密切的随访与观察；尽管经过脱细胞处理去除细胞成分，但因为种子细胞是异体细胞，仍可能有免疫排斥反应的发生；构建组织工程人工血管的步骤繁杂，技术难度高，成本高，克服专业技术壁垒达到量产还需很长的一段时间。

2.3 细胞片人工血管 细胞片人工血管的制备是通过将受试者自身的细胞（SMC和成纤维细胞）放置在特殊的培养皿上培养，在培养皿底部黏附生长一定时间后，通过改变外界的环境，使其从培养皿底部脱落，得到一层细胞片。将多层细胞片缠绕于管状支架上培养使其融合，然后移除支架并进行脱细胞处理，最后在管腔壁内层种植自体的内皮细胞［25］。细胞片人工血管的优点有［26］：可以任意设定其直径，可根据患者自身血管的情况定制最适合患者的人工血管尺寸；模拟天然血管的三层结构，具有良好的血液相容性和一定的机械强度，同时可以在体内进行血管的自我更新，具有持续的抗血栓和抗内膜增生的能力；因为是用自身细胞制备而成，所以具有较低的感染率和机体免疫排斥风险。细胞片人工血管在动物模型中报道了较为理想的通畅率结果，并于2006年被首次应用于临床构建AVG通路［27］。总而言之，细胞片人工血管是一种较为理想的天然血管替代物。然而至少需要6个月的时间对患者自身的细胞进行培养，耗时较长，不适用于急需透析的患者；且技术难度大，过程繁琐，成本高。目前尚处在临床探索阶段。

3 即用型人工血管

即用型人工血管是近些年来透析用人工血管材料领域的一大进展。它在传统ePTFE人工血管的基础上，通过对其管壁的特殊结构设计，形成密度较高的弹性中间层，穿刺针进入中间层后针头产生弹性回缩，降低了穿刺出血的风险，因此可在植入后48～72 h进行早期插管。目前有Flixene、Avflo、Acuseal和Vectra四种型号的即用型人工血管［28］，其中Acuseal、Flixene被批准于国内上市。研究显示，即用型人工血管在通畅率和并发症发生率方面与标准ePTFE相比没有显著差异，且感染率相对较低［28］。Acuseal不仅有硅胶制成的弹性中间层，其内层还引入了共价结合的Carmeda生物活性肝素涂层，研究显示Acuseal 1年初级通畅率、辅助初级通畅率和次级通畅率分别为33.8%、58.9%和98.8%［29］，通畅率满意。但是有报道称其存在管壁分离的问题［30］。Flixene内层没有肝素涂层，然而其中间层密度比Acuseal高，不存在管壁分层的问题，且比Acuseal更柔软，是一款安全、有效且性能优良的人工血管。尽管即用型人工血管并未对传统ePTFE人工血管通畅率的问题产生明显的改善，然而其允许早期插管，是降低急需透析患者导管依赖的一项行之有效的方法。研究显示，使用即用型人工血管透析的患者菌血症的发生率及患者的病死率明显低于使用CVC透析的患者［31］，且两者之间无明显成本差异。国内专家共识也明确表示，对于有中心静脉疾病的患者，其中心静脉资源极其宝贵，这种患者如需建立AVG，应该选用即用型人工血管，以避免过渡期CVC的使用［32］。总而言之，即用型人工血管为急需透析的患者提供了全新的选择，对减少或延缓CVC的置入，保护患者中心静脉资源，降低患者菌血症的发生率，提高患者生活质量和降低患者死亡率具有重大意义。

随着科学技术的不断进步，各种新型人工血管层出不穷。目前人工血管的可选择性更广，通畅性也在逐步优化。未来的目标是能制造出一种理想的人工血管，其具有良好的生物相容性，仿天然血管的弹性和机械性，植入后可以自我更新，不会引起免疫排斥反应，感染概率极低，制备流程相对简单便捷，可以达到量产且具有成本效益。这种新型人工血管的出现，将解决血管通路领域的难题，改善血管通路高并发症发生率、高病死率的现状。