《Angiogenesis》：Progressive endothelial coverage enhances hemocompatibility and prevents calcification in bioprosthetic valve tissue
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为解决生物瓣膜植入后长期抗凝、结构衰败和钙化的难题，研究人员通过分析CARMAT全人工心脏中取出的非衰败瓣膜及大鼠模型，系统研究了瓣膜表面内皮覆盖的进程、影响因素及其对钙化的作用。结果显示，内皮覆盖是一个渐进过程，并与显著降低的钙化相关，为提升瓣膜长期耐久性提供了新视角。
心脏，是生命的发动机，而其内部的“阀门”——心脏瓣膜，则是保证血液单向流动的关键部件。当这些天然阀门损坏无法工作时，医生会考虑用人工瓣膜来替换。其中，生物瓣膜（Bioprosthetic Heart Valves, BHVs）因其通常不需要患者终身服用强效抗凝药，在过去几十年里得到了广泛应用。然而，这类瓣膜并非一劳永逸，它们面临着两大“宿敌”：一是植入后早期可能出现的血栓风险，迫使患者在术后数月仍需接受抗凝治疗；二是长期（通常10-15年后）可能发生的结构瓣膜退化（Structural Valve Deterioration, SVD），而钙化是导致其失效的主要原因。一个有趣且重要的临床现象是，生物瓣膜在植入人体后，会逐渐获得与血液和平共处的能力，即“获得性血液相容性”（acquired hemocompatibility），但这一过程的具体机制，尤其是瓣膜表面如何被我们自身的细胞“驯化”，以及这种“驯化”能否抵御可怕的钙化，此前由于难以获取尚未衰败的瓣膜样本进行深入研究，一直笼罩在迷雾之中。
为了拨开这层迷雾，一项发表在血管生成领域权威期刊《Angiogenesis》上的研究，巧妙地借助了一个独特的“窗口”：CARMAT生物全人工心脏。这种人工心脏内部使用了四个标准的生物瓣膜。研究人员得以在患者因心脏移植或死亡而移除该装置时，获取这些植入时间不同、但均未发生明显衰败的瓣膜样本。他们提出了两个核心问题：第一，在人体内，生物瓣膜表面的内皮覆盖程度和随时间变化的动力学是怎样的？第二，这种内皮覆盖能否保护瓣膜组织免于钙化？为此，他们开启了一场从人体到动物模型的探索之旅。
为回答这些问题，研究人员采用了多层次的实验策略。在人体样本分析方面，他们对7名患者体内植入14至270天不等的28个瓣膜（每名患者4个）进行了系统的组织学、免疫组化和电子显微镜分析，以描绘细胞沉积和内皮覆盖的时空图谱。在机制探索层面，他们通过计算流体力学模拟，评估了人工心脏中主动脉瓣和肺动脉瓣所承受的剪切应力差异。在功能验证环节，研究团队建立了大鼠体内钙化模型，将牛心包膜圆片覆盖仅纤维蛋白或纤维蛋白联合人内皮集落形成细胞后，植入无胸腺裸鼠皮下18天，随后通过原子吸收光谱法量化钙含量，并通过组织学分析免疫细胞浸润情况。此外，还通过检测内皮集落形成细胞培养上清中的生物标志物，评估了其功能状态。
研究结果
取出的生物人工心脏瓣膜具有细胞化的沉积物成分
研究将瓣膜按植入时间分为短（<60天）、中（60-180天）、长（>180天）三组。组织学分析揭示了一个渐进的过程：短期植入的瓣膜表面形成以纤维蛋白为主的沉积，并伴有炎症细胞浸润；中期时，沉积物开始组织化，表面出现具有扁平细胞核的细胞，提示内皮细胞开始定植；长期植入后，瓣膜表面几乎完全被扁平细胞覆盖，形成连续的单层，但主动脉瓣的覆盖不完全。值得注意的是，在所有取出的瓣膜中均未检测到钙化。
取出的BHV上的沉积物由纤维蛋白、炎症细胞和内皮细胞组成
扫描电镜和透射电镜结果证实了上述过程。短期样本可见纤维蛋白网络和疑似早期内皮细胞管状结构；中期样本约有25-30%的表面被扁平细胞覆盖；长期样本的覆盖率达到75%左右，细胞呈典型的鳞状六边形，细胞间可见紧密连接。免疫荧光染色显示，这些表层细胞表达内皮细胞特异性标志物VE-钙粘蛋白，确证了其内皮细胞身份。
高剪切应力降低了主动脉位置BHV的内皮覆盖
血流动力学模拟显示，无论在何种工作模式下，主动脉瓣所承受的平均和最大剪切应力均显著高于肺动脉瓣。例如，在标称条件下，超过50%的主动脉瓣表面承受的剪切速率高于5 s-1，而肺动脉瓣仅有约10%。这与观察到的主动脉瓣内皮覆盖不完全的现象高度吻合，表明高剪切应力是内皮细胞黏附和滞留的限制性因素。
ECFC介导的内皮化在大临床前植入模型中阻止了牛心包膜的钙化
大鼠模型实验给出了令人振奋的结果。仅覆盖纤维蛋白的心包膜圆片在植入18天后出现了显著的钙化（中位数钙含量为18.3 μg Ca/mg组织），而额外覆盖了人内皮集落形成细胞的圆片，其钙化程度极低（中位数钙含量为0.9 μg Ca/mg组织），两组差异具有高度统计学意义。冯·科萨染色和免疫组化进一步证实，内皮覆盖不仅减少了钙化沉积，还显著降低了中性粒细胞的浸润。此外，体外实验表明，培养在纤维蛋白基质上的内皮集落形成细胞能分泌更高水平的血管性血友病因子，且不引发白细胞介素-6的炎症反应，说明其保持了正常的内皮功能。
研究结论与意义
综上所述，这项研究首次在人体中详尽描绘了生物瓣膜“获得性血液相容性”的动态形成过程：始于纤维蛋白沉积和炎症细胞浸润，最终通过循环来源的内皮（前体）细胞的渐进性覆盖而实现。内皮覆盖的完整性受到局部血流动力学环境（特别是剪切应力）的调控。更重要的是，研究通过大鼠模型提供了直接证据，证明完整的内皮覆盖能显著减轻生物瓣膜材料的钙化，提示其具有保护作用。
这项研究的发现具有多重重要意义。首先，它从组织学层面揭示了生物瓣膜术后短期抗凝治疗的必要性时间窗（约3个月）的生物学基础——这正是内皮覆盖逐步形成、实现血液相容性的关键期。其次，它指出高剪切应力环境（如主动脉瓣位）可能不利于内皮化，这为优化人工心脏装置及瓣膜设计提供了力学依据。最后，也是最关键的，研究将“内皮覆盖”与“抗钙化”直接联系起来，为理解生物瓣膜长期衰败的机制开辟了新视角。这提示，未来通过促进或“预制”内皮化（例如在瓣膜植入前进行细胞化处理），或许能成为延长生物瓣膜使用寿命、减少再次手术风险的革命性策略。尽管人类样本的有限随访期尚不能确定内皮覆盖与长期钙化之间的因果关系，但本研究无疑为下一代更耐久、更“友好”的生物瓣膜研发点亮了一盏明灯。
