炎症与心血管生物材料

炎症与心血管生物材料炎症与心血管生物材料 摘要：本文主要简单介绍了炎症在心血管生物材料应用方面的双面性，并着 重介绍了主导炎症反应的巨噬细胞的不同分型以及作用，并就目前的相关研究 进展进行了简单综述。 关键词：心血管生物材料、炎症、巨噬细胞 前言前言 心血管疾病严重威胁着人们的身体健康，现已成为我国人群主要死亡原因 之一。该疾病的终端治疗手段包括血管扩张手术和血管移植。血管移植术作为 目前外科治疗心血管疾病的主要方法之一，广泛应用于心脏血管外科临床，为 患者们带来了希望，有着广阔的临床应用前景。由于病人自身再生能力薄弱、 异体间存在免疫排斥等各种原因，组织工程血管的构建便成为了血管移植术的 关键。 目前，大口径血管移植物的研究已取得了成功，具有良好的临床效果，但 是小口径血管移植物（内径6 mm）的研究仍然面临很大的困难；主要问题是 血液相容性差，当其移植入体内后，容易导致血栓形成，远期还易出现内膜增 生，远期通畅率并不令人满意1。这就需要重点关注巨噬细胞主导的炎症反应。 一、一、 炎症的双面性炎症的双面性 生物材料的植入一般都会引起局部的炎症反应，因此炎症反应是观察材料 生物相容性的重要内容。当巨噬细胞受到外来异物刺激后，各种细胞因子和粘 附分子被释放，改变了血管壁的通透性，白细胞（中性粒细胞、单核细胞等） 越过血管壁内皮细胞向炎症部位集中，从而引发炎症反应。生物材料作为一种 异物植入生物体内，会引起机体防御机制的反应，包括炎症反应、抗体产生、 各种细胞因子的大量释放等一系列反应。而炎症作为这一复杂过程中的一项重 要内容，起着消灭病原菌、愈合创伤以及促进恢复周围组织再生的作用。但是 与此同时，由于多种细胞因子及氧自由基释放，炎症细胞的迁移聚集也会破坏 血管内皮，最终会导致材料植入失败。因此炎症反应的程度及持续时间直接影 响到生物材料的稳定性和组织相容性，从而影响生物医用材料的有效性。2 尽管炎症现象具有多样性，但是从根本上讲，炎症还是一种对有害条件的 适应性反应。从这个角度看，从有益的和有害的方面都可以用来解释炎症。为 了更好地理解炎症和炎性疾病，我们需要考虑在多细胞动物的生物中，炎症与 其它各级适应性反应的关系。炎症在适当情况下是有益的，但是当因为组织损 伤而过度，炎症很容易成为有害的。3 炎症容易被认为是有害的第一个原因是适应性应对有害条件的一般特性的 结果：它是以正常的功能为代价的。例如，各种类型的有害环境诱导处理细胞 会引起应激反应，确保细胞面对异常的环境能够适应和生存。一些专用的传感 器已经进化到可以检测不同的压力，并诱导适当的适应性反应。因此，热休克 、缺氧、高浓度的活性氧、葡萄糖和氨基酸不足分别由 HSF-1、HIF-1、NRF- 2, AMPK 和 ATF4 所感应到，从而产生细胞生理变化，使细胞能够适应异常条 件。这些适应是以正常的功能为代价的，如果持续下去，可能会产生不利的影 响。以生物体的水平而言，不利的环境条件，如低温、营养限制(热量限制)或 脱水会影响促进生殖健康或体细胞维护的抗逆性生理过程之间的转换。这种转 换是由 IGF-1-FOXO 通路控制的，转录因子 FOXO 的激活导致抗逆性的增加。 在一些动物中，采取这种转变，通过触发相应条件进入假死状态，如线虫的多 尔状态或是某些哺乳动物冬眠。然而，这种转变是以正常功能为代价的，主要 是繁殖。同样的，炎症反应(过度与否)是以正常组织的临时功能为代价的，因 此炎症反应总是伴随着机能丧失。此外，认为炎症不利的第二个原因在于其对 于特定的持久或极端条件的适应模式类型。具体来说，现在可以想象两种类型 的适应策略：一种是通过返回调节变量体内平衡的设置点来促进体内平衡的恢 复。第二种是将体内平衡的设置点转换成适合处理极端的或持久的异常条件的 更佳值。尽管第二种模式不被重视，炎症反应可以参与这两种适应模式。然而 ，体内平衡设置点的变化可能在肥胖和 2 型糖尿病等慢性炎症疾病中是特别重 要的。事实上，炎症可以引起代谢稳态设置点的变化，例如，通过其对胰岛素 敏感性的影响，可用于压力或感染条件下营养的重新分配。不过,这个预期有益 的机制可以成为有害的，不是因为炎症是过度，而是因为体内平衡设置点的改 变变得不适应工业化国家的“非自然”环境。换句话说，由于当前环境和过去的 进化压力之间的失衡，这种预期有益的模式会变得有害。4 另外，针对心血管生物材料而言，首先，炎症反应可能引起血栓。血栓的 形成是心血管生物材料面临的重大难题之一，以前认为炎症与血栓形成是两个 互相独立的病理过程，但是随着后来研究的逐渐深入，人们发现炎症与血栓形 成之间存在着密切的联系，血栓形成其实也是一个炎症过程。炎症中产生的各 种炎症介质可以激活相关血栓的形成，从而形成强烈的促栓性刺激，激活凝血 系统。5 此外，血管炎症反应会激活外膜单核巨噬细胞，释放细胞因子，同 时增强还原型辅酶(NADPH)氧化酶的活性，产生大量活性氧(ROS)。ROS 和多 种细胞因子会破坏血管内皮，刺激血管平滑肌细胞（VSMC）过度增殖并向内膜 移行，最终引起动脉粥样硬化等一系列病变，使材料植入失败。6 但是炎症也并不是只有负面作用，例如正常的炎症反应中，巨噬细胞在降 解细胞外基质，促进细胞黏附生长等方面也有着积极的作用。7许多文献都证 明了巨噬细胞在组织再生、新血管化的形成等方面意义重大。8, 9 二、二、 巨噬细胞分型巨噬细胞分型 巨噬细胞作为炎症反应的主要作用细胞，在不同条件下，有着明显的形态 和功能差异。通过表型分析鉴定巨噬细胞类型可以更好的研究巨噬细胞的功能 多样性。目前根据活化状态、发挥功能以及分泌因子的不同，巨噬细胞主要可 分为经典活化的 M1 型巨噬细胞(Classically activated macrophage) 和选择性活 化的 M2 型巨噬细胞(Alternatively activated macrophage) 。现在已经有很多文献 从精氨酸代谢途径10、细胞因子分泌11和表面分子的表达12等不同方面对 M1 型与 M2 型巨噬细胞进行区分。M2 的定义很快扩大为除了 M1 之外的其他 所有巨噬细胞。尽管越来越多的证据显示这种 M2 定义所包含的细胞在生物化 学和生理学方面存在巨大差异，但这种分类方法依然沿用。13 M1 型巨噬细胞一般是通过干扰素- 及细菌脂多糖(LPS)活化，M1 主要分 泌促炎因子，在炎症早期承担着重要作用。而 M2 型巨噬细胞通过 Th-2 细胞因 子如 IL-4、IL-13 及免疫复合物等进行活化，M2 表达抑制炎症因子，起着抑制炎 症反应以及组织修复的作用。根据在组织修复中的不同作用，M2 型巨噬细胞 又可以分为三种亚型，分别为 M2a、M2b、M2c。其中 M2a、M2b 可以起到免 疫调节作用及促进 M2 型免疫反应，而 M2c 则是有着抑制免疫反应及组织重构 的作用。具体分型及各自的作用见图 1。14 M1, M2 各表型的激活因素、分泌 的细胞因子、趋化因子及其功能总结于表 1 中。 图 1 不同分型巨噬细胞的刺激物和选择性表达的功能性质 Figure 1. Inducers and selected functional properties of different polarized macrophage populations. 表 1.巨噬细胞不同表型的激活因素、分泌的细胞因子、趋化因子及其功能 14-17 细胞种类细胞种类激活因素激活因素细胞因子细胞因子趋化因子趋化因子功能功能 型巨噬 细胞 （M1） INF- 、LPS IL-12、IL-23、活化的细胞可产 生 iNOS，炎性细胞因子 （TNF、IL-6、IL-12、IL-15） 在 Th1 反应中成为诱导性及效 应性细胞。 CXCL1、2、3、 5、8、9、10 CCL2、3、4、5 、11、17 炎症早期承担着重要 的作用，起着促炎反 应 型巨噬 细胞（M2） （包括 M2a, M2b,M2c ） Th-2 细胞 因子（IL- 4、IL-13） 、 免疫复合 物、IL-10 高表达清道夫受体（CD163、 甘露糖受体、半乳糖型受体） ， IL-10、IL-8、单核细胞趋化蛋 白-1（MCP-1） 、干扰素诱导 蛋白 10（IP-10） 、巨噬细胞炎 性蛋白（MIP-1） 抑制型巨噬 细胞产生促炎 性趋化因子， 诱导自身产生 于 Th2 反应相 关的趋化因子， 如 M2a、M2b 发挥免疫 调节作用及促进型 免疫反应，而 M2c 有抑制免疫反应及组 织重构的作用 CCL24、CCL17 、CCL22、CCL2 巨噬细胞在合成材料血管的重塑过程中发挥重要作用。目前，有几个知名 的血管组织工程研究组正在开展这方面的研究。Walpoth 研究组以聚己内酯 （PCL）电纺支架材料进行研究，发现血管周围发生程度较轻的异物反应，伴随 有慢性炎症，可观察到巨细胞和巨噬细胞。移植后最初的几天到几周，成纤维 细胞和巨噬细胞从血管外侧渗入合成材料结构当中。在外膜处，巨噬细胞聚集 并与血管周围的巨细胞快速形成异物反应。该反应是一种程度较低的持续性异 物反应，随着时间延长其程度逐渐下降。18 由于不同分型的巨噬细胞生长条件、功能性质不同，所以在心血管生物材 料的研究中，可以考虑通过调整材料性质来调控不同分型巨噬细胞的数量比例， 来发挥不同功能，例如减少M1型巨噬细胞来抑制炎症反应，增加M2型巨噬细 胞来促进组织修复等。Garg, K等用聚二氧六环酮（POD）研究了材料纤维直径、空隙 等对巨噬细胞分型的影响；19 Judite N. Barbosa等研究了壳聚糖乙酰化程度不同对巨噬细 胞分型的影响；20 Kara L. Spiller等人则是研究了不同分型的巨噬细胞对血管再生的不同 影响。21通过研究可以发现，可以通过设计不同的心血管生物材料来调控不同分型巨噬 细胞的比例，从而在避免出现血栓，提高材料生物相容性的同时促进组织修复和新生血管 的形成。 总结与展望总结与展望 总之，巨噬细胞主导的炎症现象在心血管生物材料植入体内的过程中广泛 存在。巨噬细胞极化的平衡失调能反映局部组织的微环境炎症状态。深入研究 巨噬细胞极性分化的内在机制，对理解生物材料附近炎症的发生发展以及之后 的组织修复、血管重塑等都有着重要意义。 References: 1.de Mel, A., et al., Biofunctionalization of Biomaterials for Accelerated in Situ Endothelialization: A Review. BIOMACROMOLECULES, 2008. 9(11): p. 2969-2979. 2.Marques, A.P., R.L. Reis and J.A. Hunt, The biocompatibility of novel starch-based polymers and composites: in vitro studies. BIOMATERIALS, 2002. 23(6): p. 1471-1478. 3.Medzhitov, R., Inflammation 2010: New Adventures of an Old Flame. CELL, 2010. 140(6): p. 771-776. 4.Gluckman, P.D. and M.A. Hanson, Living with the past: Evolution, development, and patterns of disease. SCIENCE, 2004. 305(5691): p. 1733-1736. 5.Ross, R., Atherosclerosis is an inflammatory disease. AMERICAN HEART JOURNAL, 1999. 138S(52): p. 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