下肢深静脉瓣膜替代物的发展现状

郑 葳，吴英锋,2

1 首都医科大学宣武医院血管外科，北京 100053

2 首都医科大学附属北京潞河医院血管外科，北京 101199

慢性静脉疾病（chronic venous disease，CVD）主要发生于下肢部位，由静脉高压导致，而静脉高压的形成原因主要为静脉瓣膜功能不全和静脉阻塞，静脉瓣膜功能不全发生率是静脉阻塞的3～4倍[1]。慢性深静脉瓣膜功能不全可导致一系列临床症状，如复发性溃疡、下肢疼痛和肿胀等，临床治疗复杂且疗效不一，其中，浅静脉曲张可通过传统剥脱术或其他微创手术治愈。原发性的瓣膜功能不全（primary valve insufficiency，PVI）主要由先天原因所致，继发性瓣膜功能不全或与血栓形成后综合征（post-thrombotic syndrome，PTS）相关。目前指南建议在静脉瓣膜的处理上，若瓣膜结构仍然保留，应首先进行瓣膜修复或瓣膜成形术；在瓣膜缺如或瓣膜不完整（严重挛缩、瘢痕或破坏）的情况下，可以考虑瓣膜移植或静脉转位[2]。人工瓣膜一直处于研究和探索的阶段，随着微创介入治疗理念和技术的不断进步，介入器械日益更新，人工静脉瓣膜的置换已成为目前静脉外科研究热点。本文将对瓣膜材料进行分类，论述有关静脉瓣膜替代物的探索情况。

1 天然组织瓣膜

1.1 自体静脉瓣膜

早在20世纪60年代就出现了关于动物自体瓣膜移植的研究。1965年，McLachlin等[3]尝试使用带瓣膜股静脉、头静脉、大隐静脉、肱静脉作为移植物，替换犬PTS失去功能的静脉段，研究中最佳供体是犬的自体股浅静脉（直径略大于受体），但因有肺栓塞的发生风险，需要临床试验来证明。Raju和Fredericks[4]及Taheri等[5]首次提出了使用腋静脉和肱静脉作为人的静脉瓣膜替代物。Taheri等[6]报道了一项5年随访的研究，自1980年他们进行了66例（71条肢体）静脉瓣膜移植术，手术过程中肱静脉被移植到腘静脉，5年后75%患者的下肢水肿症状得到了改善或完全缓解，18例有溃疡病史的患者中17例术后溃疡愈合，术后静脉造影的31例患者中28例瓣膜所在静脉段保持通畅。文献研究了137例重度CVD患者的深静脉瓣膜重建情况，其中，29例（35条肢体）行对侧大隐静脉-股静脉移植或腋静脉-股静脉移植，术后早期瓣膜功能显示明显恶化，术后2年通畅率、有效率分别为57.8%、47.3%，溃疡患者中约55.3%愈 合[7]。2011年，Kabbani 等[8]研究了1991—2007年18例重度CVD患者（共21条患肢）进行的静脉瓣膜移植手术，临床表现-病因学-解剖学-病理生理学（clinical etiology anatomy pathophysiology，CEAP）分级为C5～C6级，约66%患者发生PTS，13条腋静脉被移植至腘静脉，6条腋静脉被移植至股总静脉，2条腋静脉被移植至隐股交界处，平均随访37个月，结果显示，尽管静脉瓣膜移植在技术上和症状缓解上取得了初步的成功，但瓣膜的长期有效率和症状控制情况均较差，症状复发时间（12个月）早于其他研究[9-10]的原因可能为选取的移植供体中仅19%包含多个瓣膜，没有像其他研究一样使用聚四氟乙烯等材料包裹静脉段防止其扩张。静脉段外用材料包裹可能是把双刃剑，虽然能够防止静脉扩张，但也会导致血栓形成，对溃疡愈合作用不大。

一些学者构建了更加复杂的自体瓣膜段。2013年，Phillips 等[11]将供体含瓣膜静脉段固定在钛镍诺支架上移植至受体静脉中，进行了动物实验以及小型人体试验，绵羊的一侧颈内静脉段被移植到对侧，术后取下静脉段进行观察，肉眼下观察均未见血栓形成、支架迁移或倾斜，镜下观察未见血栓、炎症改变或内膜增生；人体试验中，4例有顽固溃疡病史患者的腋静脉被移植到腘静脉，平均随访3.8年，所有患者的溃疡面积都有所减小，其中，2例患者的溃疡完全愈合，所有瓣膜均通畅且功能良好，表明静脉瓣膜辅以支架，能够在术中植入较小的瓣膜，可同时插入多个瓣膜，并且选择瓣膜放置的位置，有利于术后防止瓣环再次扩张，效果较好，但后续未见推广应用的报道。

既往研究认为内皮完整的自体静脉段是静脉瓣膜置换术的首选材料[12]，优于同种静脉替代物，因此对自体静脉瓣膜移植进行了许多尝试[13-14]。这种手术方法包含3个关键内容：（1）严格的手术技术，静脉瓣膜段由于术中扭转、过度牵拉、缝合线狭窄等技术缺陷，很容易发生功能不良而产生回流，且手术操作十分耗时，不适合多瓣膜的移植[15]；（2）合适的瓣膜，上肢静脉管径较下肢细，管壁强度低，在血流量更大的下肢其耐受性不强，目前术前定位和评估腋静脉瓣膜功能的造影或超声技术并不可靠[15]，在所有考虑进行手术治疗的患者中，只有不到5%的患者可以进行瓣膜置换手术，其中仅60%的患者有合适的上肢瓣膜可供移植[16]，40%的腋静脉瓣膜在术前被发现不合格，需要修复后才能使用[8]；（3）与获取静脉相关的并发症，如术后上肢肿胀[15]。

综上所述，虽然自体静脉瓣膜移植在技术上可行，术后早期可见患者症状缓解，但其远期疗效欠佳，自体可供移植的静脉瓣膜有限，并不适用于所有人群。

1.2 同种异体静脉瓣膜

McLachlin等[3]的研究尝试使用异体犬股静脉作为移植物，4周后仅7%静脉段通畅，所有瓣膜均失去功能，肉眼观察可见异体静脉内部及周围的炎症反应大于自体静脉。随着组织固定和保存技术（如冷冻干燥、戊二醛处理、低温保存）的不断提升，研究者们在异体瓣膜移植上尝试了许多。Reeves 等[17]研究了冻干处理后人隐静脉瓣膜的机械性能，冷冻干燥的组织储存了3～6个月，并在重新水化后进行机械评估，结果显示，瓣尖能承受远高于生理静态静脉压，即大于350 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa）的逆向压力并且没有泄漏，瓣膜关闭时间为（0.31±0.03）s。冷冻干燥处理的瓣膜可以在室温下长期储存，尽管研究中这种瓣膜的某些机械性能表现良好[15]，但未见其生物反应和体内性能的后续研究报道。

戊二醛（glutaraldehyde，GTA）浓度通常为0.2%～0.5%，除了通过蛋白质交联使组织固定，还可以对动物组织进行灭菌，已被广泛用于临床相关生物假体的制备，也被应用于静脉瓣膜替代物的制备。有学者尝试了GTA处理后静脉段的异体犬移植[18]，7周后静脉通畅性良好，仅25%的瓣膜功能良好。GTA固定的血管材料具有细胞毒性，不能有效固定弹力纤维、易发生钙化等不足，易出现退行性病变，远期易钙化，最终会影响移植效果[19]。

1997年，Burkhart 等[20]取犬股浅静脉或颈外静脉含瓣膜的静脉段，低温处理后再移植到其构建的犬功能不全静脉模型上，分别辅以低流量或高流量的动静脉瘘（arteriovenous fistula，AVF），测定犬正常静脉（T0）、功能不全静脉（T1）、移植后静脉（T2）这3个状态的血流动力学参数，结果显示，低温保存的静脉瓣膜与天然瓣膜纠正血流动力学的能力相似，但因为更易形成血栓，需要额外的AVF 辅助，而高流量AVF 不会破坏邻近瓣膜，对维持瓣膜通畅及功能整体效果更好。1999年，Dalsing 等[16]报道了一项多中心的人体研究，以确定低温保存的静脉瓣膜段异体移植后是否能在短期（6个月）内保持通畅及功能，取出尸体标本上的股浅静脉含瓣膜段，将其处理后冷冻保存，将其植入10例C4～C6级患者的股浅静脉或腘静脉中，经6个月随访，除1例患者术后发现蛋白S 缺陷，其他9例患者瓣膜通畅率、有效率分别为78%、67%，6例患者溃疡愈合，显示临床效果良好。Neglen 等[21]进行了类似的试验，然而这种操作的长期随访结果却不尽如人意，约74%患者解冻后的低温保存瓣膜功能不全，需要经成形术修复后才能移植；术后不到6周，6例患者瓣膜出现了闭塞；术后24个月，约41%患者的瓣膜保持通畅，同时功能完好的仅为27%；术后36个月，约50%患者的溃疡复发，疼痛症状缓解不理想，肿胀也未能消退。因此，Neglen 等[21]认为与自体静脉相比，冷冻瓣膜植入术的闭塞率高、通畅率及有效性低、临床效果差，说明其不应作为瓣膜替代的主要技术。

低温保存是组织储存的一种可靠的技术，已被广泛运用于临床，但解冻后组织功能的破坏仍是严峻的挑战，冷冻过程中冰晶形成伴随的生物、物理、化学变化会损害细胞和细胞外成分。研究们使用化学添加剂（冷冻保护剂）来减轻冷冻处理对组织的负面影响[15,22]，低温保存的同种异体静脉瓣膜移植术目前仍处于不成熟的临床研究阶段，这种技术若想成为瓣膜重建的主要手术方式，还必须大大改进冷冻保存的技术，提高抗免疫排斥水平，并且要选择更为匹配的瓣膜[23]。因此，冷冻保存的同种异体静脉瓣膜虽然也被使用，但由于术后具有较高的并发症发生率、闭塞率和较差的临床效果及尚未明确的免疫反应等原因，加之来源有限，尚未作为主要移植物[21]。

1.3 异种来源瓣膜和瓣膜替代物

1.3.1牛颈静脉瓣膜

牛颈静脉瓣膜因其具有天然瓣膜结构、来源易得等优点，近年来被广泛应用于心血管外科的研究中，一些学者尝试将其应用于解决CVD的瓣膜替换问题[24]。2000年，美国Gomez-Jorge 等[25]研究将GTA固定的牛颈外静脉段缝合到镍钛支架上，经皮植入11只猪的下腔静脉或髂外静脉，9只猪术后造影未见反流，静脉通畅，1～2周后取出静脉段分析，组织病理学分析显示内皮细胞覆盖管腔，静脉壁可见肉芽肿反应和排斥反应，这项短期动物实验表明，牛静脉可作为生物假体构建的一个合理的初步选择，这一观点也得到了GTA固定使牛静脉瓣膜具有生物相容性和非血栓形成性报道的支持，同时也表明经皮植入静脉生物假体在技术上是可行的。2003年，de Borst等[12]的研究使用了一种新型自扩支架，将GTA固定的含双尖瓣膜的牛颈静脉缝合于镍钛支架，这种支架通过管径略大于受体静脉而固定，不使用倒钩，将这种瓣膜植入10只猪的双侧髂静脉，4周后约67%的瓣膜保持通畅，部分出现了支架移位或血栓形成。

牛颈静脉管道具有2～4组的天然瓣膜，瓣膜与管道融为一体，不需要另外的缝制，长度足够便于术中修剪；管道薄、柔软，瓣膜开放压力低，生物力学性能接近人体肺动脉瓣，适合人体右心系统的低压环境，在低压条件下具有良好的抗反流性能；管径可选择范围大，来源充足。GTA固定方法处理的牛颈静脉带瓣管道已经应用于临床，具有较好的早中期临床应用效果[26-30]，但是其临床应用的中远期结果并不理想。由于GTA自身毒性残留和牛颈静脉自身细胞的免疫反应，中远期钙化、血栓形成和远端吻合口狭窄的风险较高[31-34]，最终影响治疗效果，目前尚未见到应用于下肢静脉低流量环境下的报道。

1.3.2小肠黏膜下层（small intestinal submucosa，SIS）合成瓣膜

2002年，Pavcnik 等[34]研究使用SIS作为瓣膜材料，SIS覆盖方形支架制作成双尖瓣（bicuspid venous valve，BVV），在其植入羊颈外静脉的实验中，随访6个月显示瓣膜仍能保持通畅及有效，表明SIS作为瓣膜材料可提供细胞渗透和重塑的环境，抗血栓性较好，但支架上倒钩的使用会因其穿透静脉壁而导致血栓形成，且方形支架较为单薄，植入时容易发生倾斜。因此，2004年，Pavcnik等[35]改进了瓣膜结构，设计出了更加稳定的第二代瓣膜（BVV2），在第一代BVV的基础上，增加了第2个金属支架，BVV2经皮植入羊的颈静脉，术后所有支架都未见倾斜；术后6周，48个成功植入的瓣膜中26个仍有功能，2个瓣膜的瓣叶与静脉壁融合而功能不全。为了防止瓣叶与静脉壁的粘连，确保瓣膜闭合，2008年，Pavcnik等[36]设计了第三代瓣膜（BVV3），并进行了临床试验，将其植入15例重度CVD患者的股静脉，无瓣膜出现移位或倾斜，术后即刻约93%患者的肢体瓣膜功能良好，虽然术后12个月相关检测显示所有瓣膜均失去功能，但患者的临床症状却明显改善，3例患者溃疡完全愈合，4例患者溃疡有所好转。因此，BVV3适合作为生物人工瓣膜的雏形，远期结果有待进一步研究观察。

SIS 因其柔韧性作为瓣叶的材料，短期效果良好，但从长期效果来看，SIS小叶会因纤维化、内膜增生而增厚、变硬，导致瓣膜功能丧失。Pavcnik等[35-37]的研究尝试使用抑制细胞生长的化疗药物及非甾体抗炎药物处理SIS小叶，但效果并不明显，因此其又提出了两种方法，一是用内皮细胞覆盖瓣叶，既往研究也证明了这种方法可以防止内膜增生提高瓣膜功能[34]；二是使用更加具有生物相容性的材料。Glynn等[38]探索了两种不同的促进SIS内皮化的方法：（1）使用针对血管内皮生长因子受体的定向捕获抗体对材料进行功能化，以促进原位内皮化；（2）体外预内皮化SIS瓣叶。然而，由于动物群体之间的高度变异性，需要进一步验证内皮细胞接种对SIS的影响。

1.3.3心包/主动脉来源瓣膜

1985年，Gerlock等[39]将一种人工心脏瓣膜放入4只犬的下腔静脉中，心脏瓣膜的组织来源是牛心包或猪主动脉瓣，植入的瓣膜直径为12～16 mm，通过造影观察静脉的通畅性。尽管所用瓣膜的直径较大，2只犬瓣膜术后6个月内仍保持通畅，2只犬瓣膜术后8个月内通畅，未见血栓。Garcia-Rinaldi等[40]研究了牛心包单瓣补片的异种移植，将其植入CVD患者的股浅及大隐静脉，术后15个月瓣膜功能正常，患者的下肢溃疡愈合。这个方向值得进一步探索观察，目前尚未见到大样本的长期随访报道。

2 合成材料瓣膜

1985年，Hill等[41]的研究使用聚氨酯材料和脐静脉做出了两种人工瓣膜，分别植入犬的双侧颈外静脉进行对比观察，48 h后所有脐静脉瓣膜都发生了堵塞，20%的聚氨酯瓣膜在术后第5天仍然通畅，8天后所有的聚氨酯瓣膜闭塞，取出瓣膜段观察可见红色血栓形成，研究显示，聚氨酯瓣膜可能比脐静脉瓣膜效果更佳，同时证明了聚氨酯材料在静脉低压环境中可能较为耐用，这为未来的实验提供了新思路。Taheri和Schultz[42]设计了一种环形双叶瓣膜，这种瓣膜由铂或热解碳覆盖的钛制成，中央铰接形成两个半圆，经过术前金属压力测试后，在9只犬股静脉中植入了10个瓣膜，术后短期结果显示瓣膜通畅有效，然而，2年后密集的内膜增生使所有瓣膜失去功能。

2017年，Boersma 等[43]研究了一种新的帆型自扩瓣膜支架（SailValve），由聚四氟乙烯瓣叶和镍钛支架组成，其瓣叶像帆一样在血流中浮动，就像三角帆在风中航行一样，充当流量调节器使回流最小，而不与静脉壁完全接触，将其植入猪的髂静脉，2～4周后所有瓣膜通畅，62.5%瓣膜功能良好，组织学观察也未见血栓形成或炎症反应，显示了SailValve 的潜力。然而，一篇关于SailValve的后续研究报道了瓣膜上发生了炎症反应[43]。虽然这些研究在瓣膜工程领域提供了有价值的信息，但目前报道的合成瓣膜仍然不能满足临床需求[15]。

合成材料（涤纶、聚四氟乙烯等）应用较广，其优点主要是可选择性强，口径尺寸齐全，机械强度高；缺点是材料本身无法参与机体代谢，异物长期存在，腔内外细胞无法透过人造血管壁生长更替，内膜增厚明显，使用寿命限制，植入异物易感染等[44]。合成瓣膜的开发促进了介入方法在瓣膜移植中的应用，微创方法使瓣膜能在受体静脉腔内远端放置，不需要在瓣膜附近进行剥离或静脉切开，从而降低了难度，避免了多次手术，近年来应用越来越广泛。既往研究中，瓣膜材料通常由涤纶或聚四氟乙烯制成[3]，这两种材料在静脉循环中需要进行长期抗凝治疗，但仍存在血栓形成的风险[45]。目前，研究中使用的假体因钙化、血栓形成等因素均不符合临床常规使用要求[46-47]，未来的研究还需优化瓣膜材料，努力探索如何保持长期通畅性。

3 组织工程瓣膜

组织工程在静脉瓣膜中的应用是一个新兴领域，其目标是产生具有重塑、再生和生长潜力的自体瓣膜替代品，以克服目前使用的人工动物源性瓣膜替代品的局限性。在生物反应器中对结构体进行仿生调节后，这些活体结构体被内皮化，以提供抗血栓表面，其可抵抗目前人工瓣膜假体的血栓栓塞并发症[48]。近年来，随着组织工程在医学领域如火如荼地发展，许多研究者们将这种技术运用到瓣膜的制作中。Teebken 等[48]首次在绵羊模型中研究了基于同种脱细胞基质的组织工程静脉瓣膜（tissue engineering venous valve，TEVV），使用供体羊颈外静脉制作脱细胞静脉基质，经受体羊肌成纤维细胞、内皮细胞填充，植入受体羊颈外静脉中，同时，将自体静脉移植作为对照，12周后，除2例TEVV由于新的内膜形成出现瓣叶固定外，其他瓣膜功能均正常。TEVV与自体组织的差异仅在于其发生了轻微的炎症反应。在Teebken等[48]的研究基础上，Weber等[46]制作了一种基于可完全降解生物支架自体细胞来源的TEVV，其可降解聚乙醇酸-聚4-羟基丁酸与自膨式镍钛合金组成的复合支架，填充自体绵羊骨髓间充质干细胞并内皮化，动物实验结果表明，这种瓣膜在绵羊模型中可行，可成功地从绵羊骨髓间充质干细胞制备小直径TEVV，这也为将来的动物体内实验提供了基础。这项研究通过提供具有重塑和生长潜力的非免疫原性、不利于血栓形成的结构物，希望克服非自体替代材料的局限性，为未来的CVD治疗开辟新的治疗理念。Teebken等[49]后续又报道了其对人TEVV 的临床前体外研究，在对人大隐静脉进行脱细胞处理后，于体外在特殊的生物反应器中植入内皮细胞，并进行免疫组化和聚合酶链式反应（polymerase chain reaction，PCR）特征分析，表明脱细胞方案可成功应用于制作人体静脉组织和瓣膜。

尽管研究者们一直致力于将在动物实验中成功的TEVV 应用于人体，但动物研究中使用的去细胞和再细胞方法必须经过大量修改完善。此外，可供移植的人体供体器官普遍短缺，这些问题严重限制了其广泛应用[46]。Kuna 等[47]的研究首次以尸体作为供体，制作出了人异体TEVV，从尸体标本上获取了15个股静脉瓣膜，经过脱细胞及再细胞化处理，体外测试其功能，结果显示，有8个瓣膜功能完好。表明组织工程技术可以产生有效瓣膜的人异体静脉移植物，使用尸体作为组织来源的方法拓宽了移植物供体的范围，为临床研究和应用提供了一种新思路。

综上所述，组织工程静脉瓣膜必须满足2个主要标准：（1）可承受输送过程中发生卷曲的潜在风险；（2）由易于获取的“微创”细胞来制造，避免采集完整供体结构[48]。理想的组织工程静脉瓣膜应具有与天然瓣膜相似的3层结构，具有较强的机械性能，能承受跨壁压力和血流对瓣膜的剪应力；瓣膜表面应完全内皮化，具有较好的抗血栓形成和抗血小板黏附能力；无免疫原性；具有生长修复功能[50]。基于体外法的TEVV可能更具优势，但这必须通过进一步的体内研究来验证[51]。

4 小结与展望

众多研究表明了CVD患者对于瓣膜置换的迫切和人工静脉瓣膜发展的潜力。然而，尽管已经进行了大量的静脉瓣膜临床前试验，但仅少数的瓣膜应用于临床，且迄今为止没有一种瓣膜在临床上成功推广使用，几乎所有临床试验和动物实验的主要问题均为内膜增生及血栓形成。因此，未来研究的重点仍应放在有效担负起瓣膜功能、防止移植瓣膜静脉段血栓形成和保持置换瓣膜的通畅性。深入了解天然瓣膜组织的生物力学基础及瓣膜血流动力学将有助于探索瓣膜植入物，材料学的开发和组织工程理念的发展将会为瓣膜的制作提供更多的可行方案。