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仿生水凝胶保护心脏免受术后粘连

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的一组研究人员开发并成功地在啮齿动物中测试了一种水凝胶,该水凝胶可形成屏障以防止心脏组织在手术后粘附在周围组织上。工程师、科学家和医生团队还对猪心脏进行了试点研究,取得了可喜的成果。

他们在 2021 年 6 月 18 日的Nature Communications 上描述了他们的工作。

在大鼠中,水凝胶完全阻止了粘连的形成。在一项小型试点研究中,用水凝胶处理的猪心脏粘连不太严重,更容易去除。此外,水凝胶似乎不会引起慢性炎症。

当外科医生需要在同一部位再次手术时,粘连(器官组织粘在周围组织上)是一个相对常见的问题,每年在心脏手术中发生 20% 的病例。当患者是患有心脏畸形的儿童时,再次手术尤为常见——随着儿童心脏的发育,需要额外的干预措施。

粘连在术后前 30 天内形成,会使手术复杂化并增加干预期间的死亡风险。在某些情况下,它们还会干扰正常的心脏功能或完全阻止重复手术。该论文的资深作者之一、加州大学圣地亚哥分校生物工程教授凯伦·克里斯特曼 (Karen Christman) 在她的一位叔叔因严重粘连而无法修复心脏瓣膜时就经历过这种情况。

“我们的工作是一个由医学问题驱动的工程解决方案,”克里斯特曼说,他共同创立了一家公司 Karios Technologies,将水凝胶带入临床。“现在它已准备好显着改善成人和儿童的心脏手术。”

这项工作不仅汇集了生物工程师和医生,还汇集了化学家和材料科学家。

在加州大学圣地亚哥分校等学术医疗中心,大多数外科医生进行重复手术并经常遇到粘连。在这项研究中,在大鼠中,对照组中有 70% 的动物出现了严重的粘连。

目前还没有 FDA 批准的用于预防心脏手术后粘连的产品上市。“该产品将对许多可能需要重复手术的患者的生活产生重大影响,无论是在心脏还是身体的任何其他部位,”心血管和胸外科部门主席 Michael M. Madani 博士说。加州大学圣地亚哥分校健康中心和该论文的合著者之一。

左图:术后两周用水凝胶治疗的大鼠心脏没有粘连。右图:未经治疗的对照心脏,两周后出现严重粘连,将心脏组织附着在胸腔上。图片来源:加州大学圣地亚哥分校

这个怎么做的

相比之下,Christman 实验室的生物工程师开发的水凝胶专为满足患者和外科医生的需求而设计。它是可喷涂的,因此易于涂抹。一旦喷到组织上,它就会与心肌结合并变成柔软的弹性涂层,形成保护屏障,同时仍允许运动。凝胶可以很容易地从组织中去除,并在四到六周后溶解。

最大的挑战是确保水凝胶足够牢固地附着在心脏上,但不会膨胀,因为膨胀会给心脏带来危险的压力。Christman 和团队使用所谓的交联化学来实现这一点,该化学包括用共价键将两个分子连接在一起。该论文的第一作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程系的访问科学家 Masaki Fujita 提出了一个想法,即使用一种称为儿茶酚的化合物,类似于贻贝用来粘附在岩石上的物质,以确保水凝胶保持在原位。心脏。

儿茶酚含有一种氨基酸 L-多巴,它是一种肌肉结合蛋白。在这种情况下,它被添加到凝胶基质中,一种水溶性聚合物,称为 PEG。结果是一种水凝胶粘附在它所应用的器官上,但随后会形成一个保护屏障,该屏障在溶解前至少持续长达 4 周。到那时,粘连不太可能形成。据研究人员所知,这是第一次使用这种类型的制剂来预防手术后粘连。

喷涂装置

研究人员还设计了一种装置,可以在进行心脏直视手术的区域内安全准确地喷洒水凝胶。该装置将水凝胶的两个主要成分放置在两个不同的腔室中。每个组件由具有不同反应基团的 PEG 制成,这些基团交联在一起形成水凝胶。其中一种解决方案还包括儿茶酚修饰的 PEG,以确保它留在心脏上。两者在离开设备时混合,形成凝胶。该过程类似于使用两罐喷漆(例如蓝色和黄色)来创建第三种颜色绿色。

下一步和更大的图景

下一步是在猪身上进行大规模试验,以改进剂量并检查水凝胶如何与缝合线和引流管结合。最终目标是在 18 个月到两年内进行一项人类儿科研究,并在五年内将该产品提交 FDA 批准。

Karios Technologies 正在从加州大学圣地亚哥分校获得该技术的许可。“我们希望得到外科医生的反馈,” Karios Technologies 的首席执行官 Gregory 说。“我们设计了这种材料,专门用于心脏和外科医生的易用性。”

研究人员说,这项技术可以很容易地应用于其他需要多次手术且容易粘连的器官。

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