通过微沟槽设计加速左心耳封堵器内皮化的创新突破

时间：2025年2月25日

来源：Nature Communications

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为解决左心耳封堵器（LAA）相关血栓（DRT）问题，浙江坎博士生物技术有限公司研究人员开展关于微沟槽对 LAA 封堵器内皮化影响的研究，发现水滴形微沟槽能加速内皮化，为解决 DRT 提供新途径。

心房颤动（Atrial Fibrillation，AF）是一种常见的心律失常疾病，全球有 2 - 4% 的成年人受其困扰。AF 可使缺血性中风和全身性栓塞的风险增加 5 倍，在老年患者的缺血性中风病例中，25% 由 AF 导致。急性缺血性中风合并 AF 的患者死亡率更高，功能预后更差，发生脑出血的风险也更大。经皮左心耳（Left Atrial Appendage，LAA）封堵术是降低 AF 患者中风风险的重要策略，能显著降低中风和全身性栓塞的发生率。然而，目前商用 LAA 封堵器通常由镍钛合金金属框架和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）纤维膜组成，由于材料生物相容性较差且封堵器圆盘表面积大，其表面内皮化通常需要 1 - 3 个月，部分患者甚至在植入封堵器 2 - 3 年后仍未完成内皮化。在完全内皮化之前，存在发生器械相关血栓（Device - Related Thrombosis，DRT）的潜在风险，血栓会引发更严重的全身性栓塞。因此，加速封堵器表面新组织的覆盖和促进内皮化成为解决 DRT 的重要策略。

为了应对这一挑战，浙江坎博士生物技术有限公司的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们假设通过局部微观拓扑结构引导细胞定向迁移可以加速内皮化，并受棘轮形凹槽的启发，设计了由连续水滴形状组成的微沟槽。该研究成果发表于Nature Communications期刊。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在微沟槽制备方面，采用经典光刻工艺在圆形 PET 膜上制作微沟槽，并通过特定处理获得聚二甲基硅氧烷（PDMS）复制品。在细胞研究方面，培养了人脐静脉内皮细胞（HUVECs）、人微血管内皮细胞（HCMEC/D3）和人主动脉平滑肌细胞（SMCs）等多种细胞，并利用显微镜观察细胞在不同表面的行为，通过实验和模拟研究细胞迁移。在动物实验方面，建立了大鼠背部伤口愈合模型和犬 LAA 封堵器植入模型，通过组织学分析、免疫染色等方法评估组织愈合和内皮化情况。此外，还运用了转录组测序（RNA - seq）技术分析基因表达差异。

研究结果如下：

微沟槽改变细胞形态：研究人员设计了两种尺寸的水滴形微沟槽（Drop - s 和 Drop - l），并与普通平行微沟槽进行对比。结果发现，与在平面上细胞呈近似圆形且充分铺展不同，在各种沟槽表面，细胞铺展受到限制，沿沟槽方向伸长呈条形，且细胞核面积显著减小。微沟槽对细胞的限制作用与沟槽平均宽度有关，局部宽度变化对细胞形状和大小影响不显著，同时微沟槽对细胞黏附和增殖无明显影响。
水滴形微地形引导细胞单向迁移：通过观察细胞在不同表面的迁移状态，发现细胞在平面上随机迁移，在平行微沟槽上沿沟槽两个方向迁移，而在水滴形微沟槽上几乎只从液滴较宽端向较窄端迁移。进一步量化分析表明，水滴形微沟槽表面的细胞迁移方向性更强，迁移速度与沟槽宽度有关，较宽沟槽会使细胞迁移速度变慢。通过对细胞迁移过程中细胞骨架相关蛋白和信号通路的研究发现，细胞在水滴形微沟槽内迁移时，角蛋白（keratin）在迁移后缘积累，RhoA 信号强度也呈极化分布，这表明细胞在水滴形微沟槽上倾向于单向迁移，反向迁移受到显著抑制。
水滴形微沟槽增强细胞集体迁移：研究人员通过 MATLAB 模拟和细胞实验研究了细胞在不同表面的集体迁移情况。模拟结果显示，在水滴形沟槽表面，细胞覆盖中心区域的速度更快，细胞迁移方向更集中。细胞实验选取了迁移速度较快的 HCMEC/D3 细胞，结果表明，与平面和平行微沟槽相比，水滴形沟槽表面细胞覆盖中心区域的速度明显更快，其中 Drop - s 表面速度最快。此外，研究人员还验证了 HUVECs 和 SMCs 在不同表面的覆盖速度，发现 Drop - s 表面对这些细胞的迁移均有促进作用，但对 SMCs 迁移的促进作用相对较弱，这可能是因为 SMCs 长度约为水滴形微沟槽单个液滴单元长度的三倍，对微沟槽局部不对称性不太敏感。
水滴形微沟槽促进组织形成和覆盖：研究人员通过大鼠背部伤口愈合实验研究了 Drop - s 微沟槽与组织的相互作用。结果显示，与平面接触的伤口相比，与 Drop - s 微沟槽接触的伤口愈合速度明显更快。组织学分析表明，Drop - s 表面伤口更短，新形成组织中的炎症细胞更少，胶原沉积更多。免疫荧光染色显示，Drop - s 表面新形成组织的血管密度更高，血管面积更小，有利于形成更多小血管。进一步的免疫荧光标记和定量 PCR 分析表明，Drop - s 表面新形成组织中与伤口愈合和血管生成相关的基因高度表达，且微结构成功引导了表面细胞的排列，使胶原排列更有序，从而加速了组织愈合过程。
水滴形微沟槽加速 LAA 封堵器表面内皮化：研究人员将带有平面或水滴形微沟槽的表面与 LAA 封堵器的封堵膜结合，并植入犬的 LAA 中。结果发现，在植入 7 天和 14 天后，与平面 PDMS 覆盖的封堵膜相比，Drop - s 微沟槽 PDMS 覆盖的封堵膜上新组织覆盖更厚，neo - 肉芽组织密度更高，内皮化和纤维化进程更快。组织学分析和免疫荧光染色结果表明，Drop - s 微沟槽成功促进了表面新组织的覆盖和内皮化，且细胞迁移在这一过程中更为活跃。
RNA - seq 分析水滴形微沟槽加速 LAA 封堵器内皮化的机制：对植入 7 天后不同表面新组织的转录组测序结果显示，与平面表面的组织样本相比，Drop - s 表面的组织样本中有 1687 个基因上调，1623 个基因下调。基因本体（GO）分类分析表明，差异表达基因主要富集在与细胞骨架变化、胶原排列和重塑以及细胞迁移相关的基因。核心基因主要包括 Rho 家族基因（RhoU）和胶原相关基因（CORO1A），这与体外细胞实验和组织学分析结果一致，表明水滴形微沟槽可通过调节表面细胞的细胞骨架和促进表面胶原纤维的排列来加速组织再生。

研究结论和讨论部分指出，水滴形微沟槽通过在细胞迁移路径上引入不对称因素，成功引导细胞单向迁移，这一过程与细胞骨架的极化有关。细胞实验和动物实验均表明，水滴形微沟槽能有效促进细胞迁移和组织再生，加速 LAA 封堵器表面的内皮化。然而，该研究也存在一定局限性，如体外细胞迁移实验在静态环境中进行，难以模拟左心耳内复杂的血流环境；微沟槽对早期血栓形成和炎症的影响尚不清楚；研究成果向临床应用转化时，球型封堵器的形状和封堵器与 LAA 壁之间的间隙可能会影响微沟槽的效果。尽管如此，这项研究为促进医疗器械表面内皮化提供了一种切实可行的解决方案，有望提高医疗器械的生物相容性和功能性，改善临床治疗效果，保障患者安全，为心血管疾病的治疗带来新的希望。