CN101094697A - 用寻靶因子进行工程改造 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基质,其包含用于可植入医疗装置如心脏瓣膜和血管移植物的体内再细胞化的寻靶因子。

Description

用寻靶因子进行工程改造
发明领域
本发明涉及可植入装置的支架的组织工程和细胞接种。本发明还涉及确保用细胞体外和/或体内接种基质的分子。
背景
人工心脏瓣膜可能引发并发症,如血栓形成、心内膜炎、机械故障、组织降解、钙化。这些问题和这些假体在儿科患者中缺少生长和重建潜能的事实是心脏瓣膜组织工程改造的动机。
组织工程的主要目的是通过将能够整合的活元件递送给患者而恢复功能。组织工程改造主要基于以下3个元件:
-细胞,代表活部件
-基质,提供三维支持结构
-影响基因表达和胞外基质沉积的信号分子。
组织工程改造联用细胞和支架,以构建新组织。对于基质的细胞接种,目前研究了两种选择:培养自体细胞用于体外接种和体内吸引自体细胞。
组织工程改造中考虑了不同基质(见图1)。基质可以是合成聚合物或胶原或纤维蛋白的模塑支架。支架可以是天然(如非细胞根)的,或可以是交联假体。
此外,设计了不同方案,以获得可存活的组织工程改造的心脏瓣膜。完整方案描述了通过体外联用细胞和支架构建瓣膜,然后在生物反应器中使该构建物体外成熟(图2)。然后,可将成熟的构建物植入患者,该构建物有可能进行体内重建(综述见Rabkin和Schoen(2002)Cardiovasc.Pathol.11,305-317)。研究得最透彻的构建物是Hoerstup等((2002)Circulation 106,1143-1150))产生的瓣膜。他们用生物反应器的完整方案成功地获得可存活且重建的绵羊肺动脉瓣。
Campbell等((1999)Circ.Res.85,1173-1178)提示,确保血管的组织工程中接种支架利用已知的防御机制,即异物反应。成熟的异物反应由巨噬细胞层、数层成纤维细胞和外部间皮层组成(Butler等(2001a)Biomed.Sci.Instrum.37,19-24.;Butler等(2001b)J.Invest Surg.14,139-152)。虽然Campbell等(1999,同上)断言,成纤维细胞衍生自转分化的巨噬细胞,但仍未见明确证据发表。
为了成功,这些方法满足了许多调控问题,包括优化功能和耐久性。为了证明组织工程瓣膜物有所值,必须证明它们比现有瓣膜的质量更好。此外,所有上述技术必须克服生物安全性的问题。生物安全性问题和FDA在这方面的指导已见诸文献(“由离体操作和准备用于结构修复或重建的活自体细胞组成的产品的应用指南”(Guidance on applications for products comprised of living autologous cell manipulated exvivo and intended for structural repair or reconstruction),95N-0200(1996);“管理细胞和组织产品的建议方法-食品药品管理局”(Proposed approach to regulation of cellularand tissue-based products-The food and drug administration),Journal of Hematotherapy6:195-212(1997);“工业指南-人体细胞治疗和基因治疗的指南”(Guidance forindustry-Guidance for human somatic cell therapy and gene therapy),Human gene therapy9:1513-1524(1998);“异种移植中传染病问题的PHS指南”(PHS guideline oninfectious disease issues in xenotransplantation),(2001);“可传播性海绵状脑病顾问委员会会议”(Transmissible spongiform encephalopathies advisory committee meeting),(2001))。
使用体外培养或甚至收获的细胞有一些具体问题。如图3所示,细胞的收获和培养可诱导遗传不稳定或诱变。这可归因于不同因素。收获和培养通常需要利用外来蛋白。蛋白水解酶或血清的异种来源是种间病原体污染的可能来源。如果检测不到这种污染,不仅培养物本身处于风险中,接受者也处于风险中。某些病毒的增殖机制可将其基因组插入宿主基因组中,根据插入位点,这可引起有害突变。某些病毒基因也可用作癌基因。异种物质的应用同样碰到生物安全问题。除病毒感染的风险以外,细胞培养也使细胞接触非生理性条件,如氧张力升高。哺乳动物组织接触的平均氧张力范围为2-8%,而培养箱通常采用氧张力为21%的压缩空气。已证明,原代鼠成纤维细胞的DNA极易受损,从而导致衰老和自发性永生化。尽管这些实验中人成纤维细胞受到的影响小得多,但其它研究证明,人细胞并非对氧化应激不敏感。例如,已证明人关节软骨细胞对氧化应激敏感。利用细胞系证明氧主要在快速增殖的细胞中诱导基因组重排。而且已证明,人成纤维细胞也对氧化应激起反应而衰老,从而以依赖于氧化应激的速率引起端粒缩短和端粒DNA的单链断裂。在成纤维细胞培养物中,在氧张力下降时群体倍增数增加。另一明显的观察结果是衰老上调了纤连蛋白、骨粘连蛋白和α1-前胶原等八种基因。
生物安全性是体外细胞接种的心脏瓣膜的调控问题中非常重要的方面,并要求在植入接受者之前对各个瓣膜假体进行严格的质量控制。调控问题增加也会显著增加假体的成本,从而限制它在特定患者群体中的应用。
本领域需要一种方式获得可存活的组织工程改造的心脏瓣膜和其它可植入装置。更具体说,需要适用于细胞接种,尤其是体内细胞接种,最尤其是需要在剪切应力增加的条件下进行细胞接种接种时的支架,如心脏瓣膜和血管的支架。
发明概述
本发明总体涉及利用寻靶(homing)因子产生用于植入动物或人体的组织和器官支架。根据一个具体方面,本发明涉及利用寻靶因子产生植入体内后易受高剪切应力影响的支架。最具体地说,本发明涉及用于心血管系统、淋巴系统或其它管道如尿道的支架。本发明的一个具体实施方式涉及包含用一种或多种寻靶因子包被的结构基质的支架。更具体说,本发明寻靶因子是能够结合干细胞或祖细胞的因子。
本发明的一个具体方面涉及准备在体内长期使用和起作用的可植入装置的支架,即持久生物相容但生物不可降解的基质。根据一个具体实施方式,结构基质是非交联假体或或非细胞化的主动脉根。
本发明的另一具体方面涉及包含一种或多种寻靶因子的支架,其中所述寻靶因子是受体的配体,或包含受体结合域的其片段,或者是能结合于受体的肽。更具体说,该受体是干细胞或祖细胞上表达的受体。
用于本发明内容的寻靶因子或寻靶蛋白的具体实施方式是基质细胞来源因子1、干细胞因子、VCAM-1、纤维蛋白原P1区和纤维蛋白原P2区,更具体是基质细胞来源因子1(SDF-1)或干细胞因子(SCF),或其片段或衍生物。
在具体实施方式中,用一种或多种寻靶因子以及有利于细胞和支架基质之间相互作用的蛋白质包被支架基质。这种蛋白质可以是(但不限于)纤连蛋白、胶原或纤维蛋白原。在寻靶蛋白是VCAM-1的具体实施方式中,通过加入多效性蛋白酶抑制剂α2-巨球蛋白任选进一步增强VCAM-1和其细胞受体之间的相互作用。
在本发明具体实施方式中,寻靶因子通过连接臂的方式化学交联于结构基质。在本文中,连接臂位于寻靶因子和结构基质之间。寻靶因子和基质之间的结合可以是不可逆(永久)或可生物降解的。
根据本发明的另一实施方式,本发明寻靶因子可以是与有利于结合结构基质的蛋白质融合的形式(即两种蛋白形成一条连贯的多肽链)。
在具体实施方式中,本发明支架的结构基质是生物物质如交联的牛心包膜或猪主动脉根。
在又一实施方式中,寻靶因子化学交联于本发明支架的基质。
本发明也涉及制备本发明支架的方法,藉此用一种或多种寻靶因子包被支架基质。根据具体实施方式,通过浸渍,即通过在含有一种或多种上述寻靶因子的合适浸渍缓冲液(如磷酸盐缓冲盐水)的溶液中孵育基质以确保包被。此方法的具体实施方式包括用有利于寻靶因子和结构基质之间相互作用的一种或多种蛋白质预包被的步骤。
根据具体实施方式,本发明支架不包含趋化因子(chemo-attractant factor)或动员因子(mobilisation factor)。或者,本发明支架包含一种或多种本发明寻靶因子,以及一种或多种趋化因子和/或动员因子。
因此,本发明提供了包括结构基质和一种或多种寻靶因子的成套工具,它任选为可植入装置的形式,例如但不限于:血管或心脏瓣膜。
因此,本发明涉及使用寻靶因子以提高在适合代替功能障碍或患病的组织或器官的支架上体内接种。使用寻靶因子特别有利于产生用于植入高剪切应力部位的支架,如用于心血管系统的支架如心脏瓣膜或血管移植物。
发明详述
本发明公开了支架,更具体说是包含基质的可植入装置的支架,其中存在一种或多种寻靶因子以保证合适的细胞与其结合。本文所用″支架″涉及用于组织修复、恢复、增加或再生,或者用于置换患者体内患病、损伤、缺失或受其它损伤的组织或器官的可植入医疗装置。本文所用″可植入医疗装置″指旨在引入,任选植入人体的装置,包括用于植入血管、导管或身体器官的装置,如移植片固定模(stent),导尿管,插管(canunula),血管或动脉移植物鞘,用于植入食管、气管、直肠、胆管、尿路的装置,整形外科装置等。
本发明内容中尤其感兴趣的是旨在用于剪切应力将对合适细胞与基质的天然粘着产生不利影响的部位的支架。因此,本发明内容中尤其感兴趣的是用于置换和/或恢复易受高剪切应力影响的组织,如血管或心脏瓣膜、输尿管、胆管、胰管、胆囊管、肝管或普通胆管等的支架。
可以在体内原位(即在患病或受损动脉的部位植入)、体内离位(即植入身体的另一部位)或体外(如生物反应器)保证接种这种支架。
寻靶蛋白或寻靶因子定义为与一种或多种特定细胞类型相互作用的停靠分子,因此,连接于基质时,能够在基质上富集这种细胞类型。这种停靠分子保证了基质和细胞表面分子,如另一蛋白质或碳水化合物结构之间的相互作用,本文中也称为细胞靶分子。根据本发明具体实施方式,寻靶因子是保证基质和一种或多种特定细胞类型之间特异性相互作用的分子;可通过以下方法保证这种作用:使寻靶因子结合于基本上仅在一种或多种特定细胞类型表面上出现的分子或调节寻靶因子以使其仅结合于一种或多种特定细胞类型上的细胞靶分子。
寻靶因子和细胞之间的相互作用一般是配体-受体相互作用。因此,本发明具体实施方式涉及包含一种或多种受体的配体的支架,所述配体结合于某种细胞类型,更具体是下述细胞类型。
根据另一实施方式,寻靶因子是特异性结合于干细胞或祖细胞上最特异性表达的碳水化合物结构的分子。保留糖结合特性的这些碳水化合物结合蛋白的各部分同样适合用作寻靶因子。
适用于本发明支架和方法的寻靶因子可以是截短的蛋白质和/或衍生物如突变蛋白,只要它保留结合于细胞靶分子的能力。可通过对截短缺失绘图确定寻靶蛋白的最小结合区。根据本发明具体实施方式,细胞靶分子是受体,寻靶因子是其配体的片段,如其受体结合片段。作为蛋白质配体或其片段的衍生物或突变形式的寻靶因子一般在保留结合于细胞靶分子的能力的同时与天然配体或其片段的氨基酸序列相同性至少为80%,特别是至少90%,最特别地至少95%。
本发明寻靶因子保证和/或提高了各种条件下细胞与基质的粘附。细胞通过本发明寻靶因子结合特别有利于在高剪切应力条件下接种组织支架。
以本发明寻靶因子方式捕获的细胞是在产生合适支架,即与其置换的组织或器官功能相似的支架中感兴趣的细胞。根据本发明具体实施方式,寻靶因子是能够结合干细胞或祖细胞(即未分化但肯定会分化为一种或多种细胞谱系),更具体是造血祖细胞的蛋白质。
根据本发明具体实施方式,寻靶因子是能够结合间充质或造血干细胞的分子。本发明证明,干细胞和/或祖细胞寻靶于基质上将保证用分化为成肌纤维细胞等的细胞接种基质支架。
尤其合适的寻靶分子是:纤维蛋白原的P1和P2表位、干细胞因子(SCF)、基质细胞来源因子1(SDF-1)、纤连蛋白(FN)和血管细胞粘着分子-1(VCAM-1)(图4),最特别是SDF-1或SCF或其保留受体结合亲和力的片段或衍生物。
本发明具体实施方式涉及将SDF-1用作接种基质的寻靶蛋白。SDF-1(基质细胞衍生因子1)也称为前B细胞生长刺激因子(PBSF)或趋化因子、cxc基序、配体12(CXCL12)。SDF-1 cDNA和蛋白质的序列分别参见Genbank登录号E09668和NP_001029058。SDF-1存在两种不同形式,分别是68个氨基酸(α)和72个氨基酸(β)的形式,其中与α形式相比,β形式的羧基端具有4个额外氨基酸。SDF-1是CXCR4受体的配体(Bleuel等(1996)Nature 382,829-833)。SDF1的完整N末端对于受体结合的重要性见诸文献[如Sadir J Biol Chem.2004 279,43854-43860]。因此,对于本发明,SDF-1片段是保留该蛋白氨基末端的片段。根据具体实施方式,SDF-1的片段或衍生物含有氨基末端区(氨基酸1-14)和中心β片层(氨基酸15-54),但羧基末端区(α和β形式分别为氨基酸55-68和55-72)缺少一个或多个氨基酸。可如Sadir等(同上)所述评价此片段的受体结合活性。
根据本发明又一实施方式,SCF用作基质的寻靶蛋白。骨髓间充质干细胞(MSC)通过小鼠的蛋白酪氨酸激酶受体(c-kit)或人的CD117识别SCF(Jiang等(2002)Nature418,41-49;Nakamura等(2004)Exp.Hematol.32,390-396),因此SCF可保证MSC的寻靶。此外,CD117是造血祖细胞发育过程中的主要因子(Agis等(1993)J Immunol.151,4221-4227)。SCF(干细胞因子)也称为KIT配体(KITLG)、肥大细胞生长因子(MGF)和青灰因子(SF)同源物。SCF的cDNA和蛋白质序列以登录号M59964保存于Genbank。SCF是KIT酪氨酸激酶受体的配体。天然情况下,SCF作为膜锚定形式或可溶同种型存在,这些形式是RNA另路剪接和蛋白水解加工的结果。根据本发明具体实施方式,SCF的片段或衍生物包含189个氨基酸的氨基末端片段,其中含有SCF的胞外结构域。或者,SCF的片段或衍生物包含天然产生的可溶形式,其中含有SCF氨基末端的165个氨基酸。根据又一具体实施方式,SCF的片段或衍生物包含氨基末端141个残基,其中含有SCF的受体结合核心。这些片段的编号指切割前导序列后释放的248个氨基酸的蛋白序列。Langley等(1994)Arch Biochem Biophys.311,55-61描述了上述SCF片段和其受体结合能力。本发明SCF或SCF的片段或衍生物可以是单体或二聚体。可通过氧化或交联参与二聚体结合的半胱氨酸残基获得二聚体片段。或者,SCF或其片段与它们之间的间隔肽串联重组表达。
本发明的另一具体实施方式涉及将VCAM-1用作寻靶蛋白。VCAM-1的cDNA和蛋白序列以登录号M60335保存于Genbank。
本发明的另一具体实施方式涉及联用寻靶因子及影响该寻靶分子和其细胞靶分子之间相互作用的分子(本文中也称为促进(facilitating)蛋白,见下文)。根据一种实施方式,将VCAM-1与α2-巨球蛋白一起加入基质中(图7),因为这种多效蛋白酶抑制剂可稳定VCAM-1与VLA4之间的结合。此功能是抑制能降解VCAM-1蛋白的多效蛋白酶的结果(Levesque等(2001)Blood 98,1289-1297)。α2-巨球蛋白的cDNA和蛋白序列以登录号NM_000014保存于Genbank。
根据另一具体实施方式,纤维蛋白原的P1和P2表位用作寻靶蛋白。P1和P2被巨噬细胞(MF)的macl-整联蛋白结合。已证明,纤维蛋白原吸附于外来表面启动了异物反应。这诱导分子的构象改变,导致P1和P2的2个表位暴露(Hu等(2001)Blood98,1231-1238)。然后,结合的巨噬细胞会吸引干细胞,正如它们在″标准″异物反应中所作的那样。本发明一种实施方式是包含P1和P2表位以吸引内源性干细胞并且适合直接置换缺陷、患病或功能障碍的心脏瓣膜的合适基质。P1和P2表位可连接于基质。本发明也包括利用P1和P2表位包被支架,所述P1和P2表位用于在植入后吸引干细胞。如Hu等(2001,同上)所述,P1表位指纤维蛋白原γ的氨基酸190-202,而P2表位指纤维蛋白原γ的氨基酸377-395。
根据本发明的又一实施方式,该基质包含纤连蛋白以寻靶表达VLA4或VLA-5的祖细胞。人纤连蛋白(FN1)的不同剪接变体参见NIH核苷酸数据库以下登录号:NM_212482(变体1)、NM_212475(变体2)、NM_002026(变体3)、NM_212478(变体4)、NM_212476(变体5)、NM_212474(变体6)和NM_054034(变体7)。
尤其适用于本发明支架的是包含纤连蛋白和/或VCAM-1,还包含SDF-1从而能与纤连蛋白和/或VCAM-1协同作用的基质或支架。
将以下物质用作心脏瓣膜或血管的支架寻靶物是本发明一部分:上文特征鉴定的寻靶蛋白基质细胞来源因子1、干细胞因子、VCAM-1、纤维蛋白原P1区或纤维蛋白原P2区,以及本领域目前已知或本领域技术人员可获得的它们的功能同源物或衍生物。
理论上,本发明寻靶因子可获自支架受体,但出于实践目的,更可能通过合成或重组方法(来自原核或真核生物)获得寻靶因子。所有上述寻靶蛋白均可购得。重组人SDF-1和重组人SCF(大肠杆菌(E.coli))可获自不同公司(Sigma RBI,R&D systems,Campro and Calbiochem)。重组人VCAM-1(小鼠骨髓瘤细胞系)可购自R&D systems。衍生自人成纤维细胞的天然纤连蛋白可购自Sigma RBI和Calbiochem。衍生自人血浆的天然纤维蛋白原可购自Sigma RBI和Calbiochem。
对于纤维蛋白原的P1和P2表位,该表位可通过蛋白酶解切割天然蛋白质而衍生自天然纤维蛋白原,但更优选通过按照Hu等(上述)所述蛋白序列进行体外生物合成。
根据本发明一个方面,存在一种或多种寻靶因子保证了一种或多种特定细胞类型与基质的结合。因此,在组织工程改造中,更具体地说在血管或淋巴器官或其它管道如尿道的组织工程改造中,当该基质与液体,如血液或淋巴液和其中的细胞保持接触时,单独存在寻靶物可能足以保证基质群与合适的细胞(结合)。本发明证明,寻靶因子可用于将合适的细胞物理性且特异性地连接于所选基质(图5)。因此,本发明具体实施方式涉及包含寻靶因子的支架。最具体说,本发明涉及表面上仅含一种或多种寻靶因子,而不含参与趋化(chemo-attraction)、动员等的其它蛋白的支架。不仅寻靶因子足以保证相关细胞与基质结合,而且不存在影响细胞吸引和/或动员的其它分子可能避免了重要的不利副作用,如移植物的血管化。
然而,本发明也考虑利用寻靶因子和其它生物活性分子的组合包被组成本发明支架的基质。
因此,根据本发明另一实施方式,除了一种或多种寻靶因子以外,基质还包含有助于合适细胞与基质结合的一种或多种其它因子。这种其它因子包括动员剂、趋化物和促进因子(facilitating factor)。
在本发明内容中,″动员剂(mobilisation agent)″是使细胞,如干细胞从其起源的身体部位移开的物质。更具体说,用动员剂提高血液中的干细胞量。动员剂的具体例子是粒细胞集落刺激因子或G-CSF。此天然产生的因子具有低毒性,与其它造血生长因子联用时具有协同作用。其它动员剂是腺苷、粒细胞单核细胞集落刺激因子(GM-CSF)、干细胞因子(SCF)、白介素-1(IL1)、IL3、IL7、IL11和IL12(Fu和Liesveld(2000)Blood Rev.14,205-218.)。除了利用本发明寻靶因子以外,考虑体内接种基质的工具和方法对利用动员因子特别感兴趣。动员剂任选包含在基质中,但也可在植入支架之前给予患者。
此外或另外,本发明考虑了联用一种或多种趋化因子和寻靶因子及任选的上述动员剂。本文所用″趋化物″或″趋化性化合物″是能够吸引细胞的化合物。它们以梯度存在时通常对细胞有影响。干细胞的趋化物可能是胰岛素样生长因子(IGF)和血管内皮生长因子(VEGF)(Young等(1999)Clin.Exp.Metastasis 17,881-888)。
此外或另外,本发明考虑联用一种或多种促进剂和寻靶因子及任选的上述其它剂。″促进因子″是有助于或加强细胞与本发明寻靶蛋白或因子结合的因子。这种促进蛋白的例子包括可溶性胶原、白蛋白、纤维蛋白原或纤连蛋白。促进蛋白可与寻靶因子一起包被在基质上,或者可以作为单独层包被。
因此,本发明涉及用于管道或其它可植入支架,如血管或心脏瓣膜的组织工程的基质,所述管道或支架包含具有一种或多种寻靶因子的基质。更具体说,本发明涉及包含SDF-1和/或SCF的基质,该基质设计用于置换缺陷、患病或功能障碍的心脏瓣膜和用于体内再细胞化。载有SDF-1的基质或支架可包含其它寻靶剂,还可包含一种或多种选自下组的动员剂:粒细胞集落刺激因子(G-CSF)、腺苷、粒细胞单核细胞集落刺激因子(GM-CSF)、干细胞因子(SCF)、白介素-1(IL1)、IL3、IL7、IL11和IL12或其组合。基质还可包含一种或多种选自下组的趋化物:胰岛素样生长因子(IGF)、血管内皮生长因子(VEGF)、胎盘生长因子(PLGF)或其组合。
根据一种实施方式,本发明的细胞化范例包括三个步骤(图2)。任选的初始干细胞动员步骤,其次是植入寻靶因子包被的支架(如血管或瓣膜),然后任选地由支架释放趋化物。根据一个具体实施方式,这种支架是用于心血管系统的血管或瓣膜。然而,在此实施方式中,由于瓣膜或血管移植物植入了患病的瓣膜或血管位置,从而与血液紧密接触,因此植入含有寻靶因子的基质足矣,可任选联用与趋化物。
本发明为内源性细胞粘附制备的心脏瓣膜构建物可通过标准植入方法植入,例如但不限于:下述方法之一。在完全或部分去除天然瓣膜或者未完全或部分去除天然瓣膜的情况下同位植入或异位植入心脏瓣膜。如本文所述采用经典植入技术,或者植入可包括最低侵入性、血管内或经皮(见下)方法。本领域已知血管移植物的植入方法。
本发明技术也可通过文献(例如但不限于:EP 1152780A1和WO 0045874A1)所述方法应用于经皮可植入的瓣膜假体。这些专利申请描述了通过经皮途径植入心脏瓣膜的装置,它由外周扩张气球和中心轴血流泵组成,尤其适用于不需要体外接种或成熟化的移植物。
因此,本发明涉及用于器官或组织支架,更具体说是接触剪切应力的器官和/或组织支架,如心血管或淋巴系统支架或尿路支架的工程改造的基质。最具体说,本发明涉及心脏瓣膜和血管组织支架。根据本发明具体实施方式,使包含具有本发明寻靶因子的基质的支架模塑成待用的可植入装置形式,从而对应于预制作的器官、瓣膜或管道。支架应该是生物相容性,并且可经手术或经皮植入的支架。本发明考虑了有固定模(stented)和无固定模(stentless)的支架。
用于本发明的合适基质的例子包括人工生产和模塑的支架,它可以是合成聚合物或生物物质如胶原或纤维蛋白,和天然支架如非细胞根物质或交联的天然物质如心包膜构成(图1)。生物基质包括由生物物质从头获得的基质(如人纤维蛋白凝胶)以及保留了原始结构的基质,例如但不限于非细胞化的主动脉根。生物基质可以是自体(来自准备植入该装置的患者)、同源(如如果植入物准备植入人体的话来自人体物质)或异源(如在人植入物的情况下来自牛、猪或羊)的。生物基质是新鲜或经处理的,处理方式不会破坏细胞在基质表面上生长或基质弹性(如深低温保藏、UV辐射、光致氧化)。合成移植物可由以下物质组成,如聚酯、膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)和本领域已知的其它复合材料。具体说,根据本发明,合成基质是生物相容性或可生物降解的材料,如聚乙醇酸网状物和聚羟基烷酸酯、细菌衍生的热塑性聚酯。或者,合成装置可由诸如聚酯、膨胀型聚四氟乙烯(ePTFE)和本领域已知的其它复合材料等材料制成。
根据本发明具体实施方式,该基质是不可生物降解的,因此持久耐用,能够在体内长期存在和发挥作用。本发明内容中考虑了衍生自去除去细胞的牛心包膜的基质(如Veritas∞Collagen Matrix或SynerGraft∞)。
可通过各种方式在本发明基质上″包被″寻靶因子。在这些包被方法中,三种包被方法尤其适合;对于天然结合于基质的寻靶因子,可采用浸渍法。此结合同时是寻靶因子-依赖性和基质-依赖性。浸渍包括在合适溶剂,例如但不限于磷酸盐缓冲盐水配制的寻靶因子溶液中孵育基质。此溶液可应用于预包被的装置和能够在手术室进行植入前包被的包被成套装置。
或者,根据本发明,与可溶性胶原、白蛋白、纤维蛋白原或纤连蛋白共同包被。当采用与这些蛋白质相互作用的寻靶因子时尤其适合采用此方法。该方法包括用胞外基质蛋白进行预包被。预包被基于与基质中的交联天然蛋白及其天然对应物的相互作用。在第二步中,寻靶因子将结合于这些加入的胞外基质蛋白。同样,此方法可在可植入装置运输之前应用以及可以是能够在手术室中包被的成套工具形式。
或者,可确定在基质和寻靶分子之间有无间隔分子的化学交联。间隔分子可以是永久性或可生物降解的接头,一旦连接于细胞,寻靶分子的存在不再重要。可将该因子立即交联于基质,只要它保持有功能。另一实施方式包括与间隔的连接臂进行生物化学交联。此连接臂的特定结构能够控制交联的生物降解性,以及加入的寻靶因子的药代动力学。本领域已经描述了此交联的不同方法。尤其有用的范例是采用光化学交联,如EP 0820483B1所述,但考虑了交联的不同方法(如专利公开EP0991944B1、EP1035879B1和WO0159455A2所述方法)。
根据本发明具体实施方式,一种或多种寻靶因子和/或趋化物和动员因子以融合蛋白的形式存在于基质上。可通过重组技术获得融合蛋白。然后,专门选择与基质相互作用的融合蛋白,以使融合蛋白包含寻靶部分和基质相互作用部分。融合蛋白通常由通过插入基因遗传改变的宿主生物产生,所述基因由各编码特定蛋白的2个基因的组合组成。这允许将任何上述寻靶因子与能和交联基质相互作用的蛋白质组合。同样,融合蛋白构建物中后一种蛋白可以是以下分子的全长或部分多肽,例如但不限于:胶原、纤维蛋白原或纤连蛋白。通常根据特异性细胞寻靶和基质结合特性选择融合蛋白。融合蛋白可应用于运输之前的可植入装置或临植入接受者之前的成套装置形式。
需要小心,以防止瓣膜的任何后续处理(即灭菌)使蛋白质失活。优选不显著改变动员剂、趋化物或寻靶剂的生物活性的灭菌技术。本领域已知的灭菌条件足够保持动员剂、趋化物或寻靶剂的生物活性,如用(例如)低剂量γ辐射或环氧乙烷对加载的基质进行灭菌。尤其适合的灭菌方法是用环氧乙烷在37-63℃的温度范围内灭菌或用约1-3mRad γ辐射或电子束辐射灭菌。如果生物活性物质是蛋白质或肽,可通过包含以下制剂在γ辐射灭菌期间优化生物活性:1)外来蛋白,如白蛋白或明胶;和2)自由基清除剂(抗氧化剂),如没食子酸丙酯,3-叔丁基-4-羟基苯甲醚(BHA)或抗坏血酸,用量能有效阻止辐射诱导的生物活性肽降解。灭菌优选在低温、如-70℃下进行。
根据另一方面,本发明涉及治疗具有患病或损伤的组织、管道或器官,例如但不限于患病或损伤的血管或心脏瓣膜的患者的方法,该方法包括将用一种或多种寻靶因子包被的本发明支架植入所述患者。
根据具体实施方式,植入该支架用于体内接种。或者,也考虑了体外接种。体外接种可以在生物反应器中进行。本领域已知适用于本发明内容的生物反应器,包括Hoerstrup等(2002,Tissue Engineering 8(5):863-870)所述的生物反应器。
用于本发明的寻靶因子和与其连接的细胞的具体实施方式见图4。本领域技术人员明白,可由寻靶因子形成各种组合。而且,也考虑了本发明支架的制造和使用中以及系统和方法的构建中的各种改进和改变。
与具有图3所示许多风险的现有支架相比,本发明支架提供了特别有利。第一个风险是患者细胞接触异种病原体(如朊病毒、病毒等)。通过蛋白水解酶或培养基引入的偶然性物质风险。虽然这些因素一般存在于心脏瓣膜组织工程的体外阶段,但风险不仅限于这些感染途径。其它感染途径是用同一设备(facility)治疗时异种基质物质或患者细胞的交叉感染。病毒感染引起一些特定风险,其中许多依赖于感染菌株,如植入后患者感染、病毒DNA插入基因组所致诱变和病毒蛋白的原癌基因功能可能诱导永生化。第二类风险是在体外条件下细胞接触的非生理性细胞环境因素。一个例子是非生理性氧张力诱导的氧化应激可能引起DNA损伤。结论是,需要测试各个因素,因为细胞是″自身的(self)″且将被患者免疫系统接受,不管它们是否可能诱导损伤。
附图简述
下图说明了本发明,但不应解释为将本发明限制于其所述的具体实施方式。
图1:显示根据本发明具体实施方式选择的支架的概况的示意图。第一组是模塑支架。它们采用生物或非生物热塑性材料产生瓣膜支架。通常采用允许热塑性材料硬化的铸型或称为电旋转(electrospinning)的工艺实现此过程。另一选择是利用蛋白质如胶原或纤维蛋白产生这种瓣膜。这些构建物由获自(如)患者的天然蛋白制成,它们可以是同种或异种来源或重组形成的。然后,使这些蛋白在瓣膜塑模中彼此相互作用。第二组是天然支架,即同种或异种生物瓣膜。可分为两种主要类型:(1)非细胞化的主动脉根和(2)交联假体。
图2:显示完整组织工程改造范例的示意图,正如本发明一种实施方式的心脏瓣膜组织工程改造中实施的那样。通过将合适细胞接种于适当选择的支架上制备瓣膜构建物。这些细胞可以是内皮细胞、成纤维细胞或瓣膜间质细胞。然后,将体外产生的瓣膜构建物放入生物反应器中一段时间,以使构建物成熟,同时使细胞习惯于逐渐增加的流速和压力。一般在数周后将成熟构建物植入接受者,其在接受者中可进行体内重建。
图3:该示意图显示本发明一种实施方式的心脏瓣膜组织工程改造的完整范例的风险。
图4:该示意图显示本发明一种实施方式的特定细胞类型上存在的寻靶蛋白和各自受体。纤维蛋白原的P1或P2表位能与巨噬细胞表达的mac1整联蛋白相互作用。干细胞因子(SCF)结合于“间充质”干细胞(MSC)的蛋白酪氨酸激酶受体(c-kit或CD117)。可通过不同相互作用实现造血干细胞(HSC)的寻靶。优选通过结合于其受体CXCR4的基质细胞来源因子1(SDF-1)实现此过程。HSC也通过极迟抗原(VLA)4或5连接于纤连蛋白(FN),此外,VLA-4也能结合血管细胞粘着分子1或VCAM-1。后一结合可通过多效蛋白酶抑制剂a2-巨球蛋白(macroplobuline)(a2-MG)增强后一结合。
图5:按照本发明一个方面细胞接种后本发明支架的示意性结构。基质上的寻靶蛋白与吸引细胞的受体发生作用。通过适当地选择寻靶蛋白测定细胞结合的特异性。
图6:按照本发明一个方面自发性接种的小叶(leaflet)(A)和预接种的IP(B)的例子。C图显示,1周和1个月时自发性接种和IP预接种的小叶的再细胞化(总细胞计数/小叶长度),*:p<0.05。
图7:组织学。图A:1周和1个月时自发性接种和IP预接种的小叶的过度生长的中值。图B:光致氧化的牛心包膜上新沉积基质的中间面。图C:从表面至顶端测定的小叶长度的中值。*:p<0.05
图8:用本文实施例1中所述细胞标记物的抗体特征鉴定植入的瓣膜。数据表示为:中值[95%Cl]。*表示1周组之间有显著性差异;表示对照组之间或IP接种组之间的显著性差异;表示1个月组之间的差异;§表示与IP测试样品的显著不同,e表示不可进行统计学分析,因为n<6。
图9:FBR不同阶段期间材料中存在的(A)VLA-4+(B)CD44+和(C)CD172a+细胞的百分数。点和误差线代表平均值±标准差,a)与6小时显著不同(p<0.05);b)与6小时、1天、2天和3天显著不同(p<0.05);c)与3天显著不同(p<0.05);d)与2天显著不同(p<0.05)。对于CD172a,从统计分析中排除6小时数据,因为丢失了2个大鼠数据。细胞结合和寻靶能力在植入后立即升高,通常随后逐渐降低,除了CD172a+细胞在第三天达到显著峰值。
图10:在FBR不同阶段期间材料中存在的(A)CD133+和(B)Sca-1+原代干细胞的百分数以及(C)CD34+和(D)CD117+祖细胞的百分数。点和误差线代表平均值±标准差,a)与5天显著不同(p<0.05);b)与3、5和7天显著不同(p<0.05);c)与3天显著不同(p<0.05);d)与2天显著不同(p<0.05)。如图所示,Sca-1+原代干细胞在植入6小时后其存在出现峰值,而CD34+和CD117+祖细胞在植入2和3天后其存在出现峰值。
图11:微阵列评价本发明一个方面的1.5和3天后腹膜内植入物和腹膜巨噬细胞(IP)的基因表达分布型得到的结果。
图12:对照和SDF-1和SCF浸渍(经过或未经FN预包被)的颈动脉移植物上存在的CD117(a)和Sca-1(b)阳性细胞分数的结果。星号表示与对照显著不同(各组中n=6),#表示与SDF组不同。
图13:植入绵羊动脉的小片(patch)上的CD34+细胞(造血干细胞/祖细胞)。
实施例
实施例1:通过IP植入支架工程改造瓣膜
为了获得接种基质以鉴定参与合适细胞粘着的关键因子,用未成熟的异物反应重建(repopulate)交联的生物基质,即光致氧化的牛心包膜。这种基质类型本身保证了耐久性。在绵羊中,用具有间充质来源和未成熟分化的母细胞样细胞覆盖腹膜内(IP)植入三天的支架或小片,所述细胞通常可以并确实分化为成肌纤维细胞表型。更具体说,发现这些细胞是波形蛋白阳性,但是Δ平滑肌肌动蛋白和重链肌球蛋白阴性(见表1)。
表1:在绵羊和大鼠中比较3天IP接种。
CD44 CD45 CD172a 波形蛋白 ASMA
绵羊(n=10) 0.0[0.0,0.0] 7.6[2.2,16.5] 52.0[19.9,82.8] 13.2[7.5,89.0] 0.8[0.0,15.4]
大鼠(n=6) 9.4[1.6,25.2]* 12.7[11.3,29.4] 32.1[18.4,41.8] 26.5[20.5,29.4] 0.2[0.0,1.2]
SMMS-1 PPH3 CD34 CD117
绵羊(n=10) 0.0[0.0,0.0] 1.3[0.2,5.4] 1.5[0.0,7.2] 0.3[0.2,2.5]
大鼠(n=6) 0.0[0.0,0.0] 5.9[1.7,7.8] 7.3[1.0,15.0]* 1.7[0.8,2.3]
*表示绵羊和大鼠之间有显著性差异(p<0.05)
发现,可获得证实具有耐久性的稳定基质,可在数天内分化为不同表型。
由绵羊IP-成熟的材料构建瓣膜并植入绵羊的肺动脉,评价其功能。植入了24个瓣膜(12个未接种的对照,12个腹膜内接种的瓣膜)。这两组中各自研究了两个时间点:植入肺动脉1周(n=每组6个)和1个月(n=每组6个)后。通过回波心动描计术评价瓣膜功能。没有观察到异常。在腹膜内接种的移植物中没有观察到大块血栓形成,而对照组中发现一例。
表2:绵羊和回波心动描计术数据
对照 IP预接种
1周 1个月 1周 1个月
数量 6 6 6 6
年龄 737[362,764] 706[368,722] 575[452,773] 653[575,719]
重量 68[64,69] 66[43,72] 65[59,74] 68[66,77]
峰值梯度(mmHg) 9[8,25] 11[7,20] 11[9,39] 10[8,39]
正常功能 6/6 6/6 6/6 5/6
PI 1/4[0/4,2/4] 1/4[1/4,1/4] 1/4[0/4,3/4] 1/4[1/4,2/4]
血栓 0/6 1/6 0/6 0/6
采用组织学染色发现对照和腹膜内接种的瓣膜构建物的细胞化有显著差异。与对照相反,在腹膜内接种的瓣膜上观察到细胞显著沉积和新基质,这也明确显示了原始基质的重建(参见图6和7)。对外植瓣膜和对照样品的7μm低温断面进行下述分子的免疫荧光染色:CD44(克隆BAT 31A,VMRD Inc.)、CD45(克隆1.11.32,Serotec)、CD172a(克隆DH59B,VMRD Inc.)、波形蛋白(克隆V9,DAKO)、ASMA(克隆1A4,DAKO)、SMMS-1(克隆SMMS-1,DAKO)、磷酸化组蛋白H3(多克隆,CAMPRO scientific)、CD117(多克隆,ABCAM)、ecNOS(克隆3,BD Biosciences)、MHC-I(克隆H58A,VMRD,Inc)、MHC-II(克隆TH14B,VMRD.Inc)和CD34(克隆QBEnd 10,DAKO)。
[CD44:H-CAM,细胞表面分子结合性透明质酸;CD45:白细胞共有抗原;CD172a:单核细胞和干细胞的标记物;波形蛋白:间充质细胞的标记物;α平滑肌肌动蛋白(ASMA):成肌纤维细胞和平滑肌细胞的标记物;重链肌球蛋白(SMMS-1):平滑肌细胞的标记物;磷酸化组蛋白H3:有丝分裂标记物;CD117是干细胞标记物;ecNOS:内皮标记物;MHC-I和MHC-II是免疫应答标记物;CD34:祖细胞标记物]
在一个完整小叶切片(leaflet section)上,对植入的基质材料中或其上存在的细胞进行计数。在植入肺部1周和1个月后,自发性接种对照的每个切片上分别具有3753[995,17254]和3345[1562,4298]个细胞。另一方面,1周和1个月后,IP预接种的瓣膜的每个切片上分别具有12126[4571,28216]和20404[4723,32084]个细胞。自发性和IP预接种的瓣膜之间细胞数增加4-7倍具有显著性。
图8的表格中总结了瓣膜切片中发现的阳性细胞百分数。所有组和染色的数据表示为中值和95%置信区间(confidence interval)。由于它们是百分数,仅显示了阳性细胞分数,记住观察到的总细胞的大差异,绝对细胞类型计数明显存在大差异。
这些发现明确表明了这些细胞使含有成肌纤维细胞的稳定化生物基质新生的潜能。而且,1个月植入物已经显示出自发性再内皮化的迹象。再细胞化的过程似乎是自我限制的,因为新沉积材料的量不是不断增加的,并且逐渐被内皮覆盖。这阻止了新细胞粘着并有助于再细胞化过程。
虽然利用了稳定化生物基质,但通过腹膜接种获得的细胞能够修饰此基质并且沉积其本身。
由异种基质材料和自身细胞构建的生物杂交瓣膜结合了基质的可靠性与细胞的活力。细胞是间充质来源的,在细胞重建中可分化为合适表型、成肌纤维细胞。本研究证明,虽然重建是巨噬细胞介导或启动的,但重建是(造血)干细胞衍生的。
实施例2:干细胞吸引至腹膜内基质
将基质材料通过腹膜内途径引入大鼠,研究吸引的细胞类型。
动物
选择雄性Wistar大鼠(n=36;380-400g)。使其随意获取食物。按照‘实验动物的护理和使用指南’(Guide for the Care and Use of Laboratory Animals,NIH刊物85-23,1985年修订)。该研究由本地伦理委员会批准。
方法
用混于100%氧中的4%异氟烷以1L/分诱导麻醉5分钟,在大约20分钟的手术期间用混于100%氧中的2%异氟烷以0.5L/分钟维持麻醉。剃毛和消毒后,经过皮肤、腹肌和腹膜作约1.5cm的直肠旁切口。将含有基质材料的不锈钢盒插入腹腔并用经腹缝线(Ticron 3-0)固定于腹壁。用连续缝线(Ticron 3-0)缝合腹膜和腹肌,皮内缝合(Ticron 3-0)皮肤,以避免理毛时弄开伤口。手术后,停止麻醉。约5分钟后,动物恢复意识,将其放入单个笼中。
条件
在不同时间点上回收基质材料。不同回收时间是植入后6小时,1、2、3、5和7天,这取决于该动物被分配的组别。为该目的,再次麻醉动物,再次打开伤口,取出盒。
材料
将回收的基质材料包埋到组织冰冻培养基中(Leica-Van Hopplynus设备,比利时布鲁塞尔),用液氮迅速冷冻,储存于-80℃。在Microm HM500 OM低温恒温器(Prosan,比利时Merelbeke)上进行低温切割。将7μm切片放在聚-L-赖氨酸包被的载玻片上,储存于-20℃直到染色。
染色前,用冰冷的丙酮固定该材料10分钟。然后,用抗体对基质切片进行免疫组化染色。用FITC-偶联的第二抗体检测第一抗体。用装有Zeiss Axiocam MRc5相机(Zeiss;比利时Zaventem)的Axioplan 2成像显微镜在室温下拍照。所用物镜是Plan-NEOFLUAR 1x/0.025,Plan-APOCHROMAT 10X/0.45和20x/0.75。用AxiovisionRel.4.4进行图像分析。
为了详细研究细胞表型(免疫组化),按照功能或特异性将其分组。腹膜内植入后,研究了六个不同时间点的细胞密度和增殖(每个时间点n=6)。
表3:细胞计数和原位增殖
植入时间
6小时 1天 2天 3天 5天 7天
细胞计数(细胞/mm) 128±55b 397±181ab 377±148ab 722±489a 743±392a 569±331a
PPH-H3(%) 0.708±1.229c 0.601±1.104c 0.869±1.869c 5.44±2.26 1.68±1.94c 0.505±0.871c
数据表示为平均值±标准偏差,a,与6小时有显著性差异(p<0.05);b,与5天有显著性差异(p<0.05);c,与3天有显著性差异(p<0.05)。
表3显示,腹膜内接种6小时后,细胞存在于完全非细胞的植入材料上。在植入物中,通常可观察到细胞数量随时间增加,从第1天起变得显著。植入7天后,观察到细胞数量增加了4倍以上。在植入后第三天原位细胞增殖中,用于评价原位细胞增殖的标记物磷酸化组蛋白H3(PPH-H3)显示出约5%的明显峰值。除了第三天细胞增殖中存在峰值,这些数据支持由细胞流入而非细胞分裂引起组织新生。仅在第三天,细胞增殖似乎有助于提高细胞性(cellularity)。
用VLA-4(CD49d)、CD44和CD172a或信号调节蛋白α(SIRPα)的抗体评价细胞结合和寻靶能力。图9显示出,包含约20%细胞群体的FBR的第一阶段中明确出现VLA4+细胞,这个比例在腹膜内植入5天后显著降低至约为零。CD44+细胞显示相似的初始存在,但与6小时测定结果相比第2、5和7天结果显著降低,但其存在维持在约10%直到第7天。CD172a数据显示了这些细胞存在的相似模式,与CD44数据处于同一数量级,除了该降低不显著存在和统计学显著性小峰出现在第3天。T细胞、B细胞、胸腺细胞、CD34+造血干细胞和内皮细胞上发现的VLA-4(CD49d)是结合骨髓基质上的血管细胞粘着分子-1(VCAM-1)并参与干细胞和祖细胞寻靶至骨髓基质的的整联蛋白分子(Krause等(1996)Blood 87,1-13)。VLA-4也介导造血祖细胞粘着于纤连蛋白(Levesque和(1999)Exp.Hematol.27,579-586)。白细胞、造血祖细胞(Netelenbos等(2002)J Leukoc.Biol.72,353-362)和间充质干细胞(Rombouts和Ploemacher(2003)Leukemia 17,160-170)上的粘着分子CD44已显示能介导细胞间和细胞-ECM相互作用,从而在白细胞运输至炎症部位中起作用,并且共同刺激淋巴细胞活化和组织浸润(Wu等(2005)Cell Res.15,483-494)。而且,细胞表面蛋白聚糖CD44与胞外基质糖胺聚糖乙酰透明质酸(HA)的相互作用是炎症中的关键事件(Levesque等同上)。植入后VLA-4+和CD44+细胞组分水平立即升高明确表明,这些分子介导了细胞结合和寻靶能力提高,该能力在细胞开始分化的晚期显著降低,也观察到绝对细胞数显著降低。
最重要的是,研究了干细胞/祖细胞主要表达的5种标记物:CD133、干细胞抗原-1(Sca-1)、CD34和CD117(c-kit)(见图10)。代表研究最多的原代干细胞的CD133+细胞组分(Gehling等(2000)Blood 95,3106-3112)非常小,在1只大鼠中植入3天后达到其峰值2.3%。已知原代造血干细胞和间充质干细胞递呈Sca-1。在腹膜内植入早期,发现了约7%这些细胞。CD34和c-kit(CD117)都是循环造血干细胞和祖细胞的标记物(Okamoto等(2005)Blood 105,2757-2763)。C-kit也在间充质干细胞上表达。CD34+细胞的临时分布型显示出植入物材料上发现的这些细胞的分数逐渐增加,在第2和第3天达到显著峰值,约为5-8%。值得注意的是,在第5天已经明显看出CD34+细胞非常迅速地回到低水平,然后到第7天再一次显著增加。c-kit模式显示在第2和第3天水平显著增加,约为2%。跨膜细胞表面抗原CD133的表达仅限于CD34+干细胞和祖细胞的亚组(Buhring等(1999)Ann.N.Y.Acad.Sci.872,25-38)和内皮前体细胞(Gehling等2000,同上)。此外,约0.2%的一小部分CD34-细胞表达它(Gallacher等,同上)。原代和髓样祖细胞中富含CD34+CD133+细胞,而CD34+CD133-细胞主要由B细胞和晚期红细胞样祖细胞组成(Buhring等1999,同上)。CD133抗原零星存在于植入的小片上,表明这些原代细胞在FBR新组织形成中的作用非常有限。Sca-1表达于骨髓和外周血中的多能原代造血干细胞上,以及间充质干细胞上。Sca-1+细胞比Sca-1细胞更原始,对造血因子组合的反应更好,包括SCF和基质细胞(Okada等(1992)Blood 80,3044-3050;Rombouts和Ploemacher同上;Spangrude等(1991)Blood78,1395-1402.)。有趣的是,在植入后立即观察到更大比例的这些细胞,后期逐渐降低。在植入2天后观察到绝对细胞数量的峰值。总之,所述发现明确表明这些细胞是FBR反应的主要早期贡献物(contributor)。
与CD133和Sca-1相比,CD34和CD117均用作更定型的干细胞和祖细胞的标记物。单链膜蛋白标记物CD34表明造血干细胞/祖细胞、内皮前体细胞和毛细血管内皮细胞的存在。C-kit(CD117)是受体酪氨酸激酶家族成员和干细胞因子(SCF)受体,它在造血原代干细胞和定型祖细胞(Okada等同上)、循环系统未成熟细胞(Taguchi等(2004)Circulation 109,2972-2975)和间充质干细胞(Rombouts和Ploemacher同上)上表达。这些结果显示在植入后第2和第3天,CD34+和c-kit+细胞水平临时升高,这在CD34+细胞组分中尤其显著。这些细胞在第3天显示接近Sca-1+细胞的初始分数的清晰峰值。这些发现可解释为Sca-1+细胞分化为更定型的c-kit+或CD34+细胞,或者通过早期FBR中存在的其它细胞,可能是巨噬细胞释放的信号转导因子从血流中临时募集这些细胞类型。由于处于峰值的CD34+细胞的绝对数量大大超过Sca-1细胞绝对计数,后一种解释更可接受。
本发明惊讶地发现在大鼠腹膜内植入模型中,在未成熟异物反应期间,干细胞和祖细胞粘附于组织,并主动参与含有成(肌)纤维细胞的基质重建。
实施例3:组织新生中的特异性基因表达。
如上所述,在成年动物模型的FBR中发生组织新生时研究组织新生,因为它能够产生具有类似于血管结构如心脏瓣膜的细胞组分的片层组织(Butler等2001a同上;Butler等2001b同上)。不幸的是,成熟组织不是理想的解决方案,因为需要在手术室中构建瓣膜假体,这种方法易引起瓣膜质量改变(Grabenwoger等(2000)J HeartValve Dis 9,104-109)。然而,组织新生本身(in se)是有趣的特征,因为它含有构建新组织必需的所有组件,即细胞(实施例2)、新胞外基质、信号转导分子和寻靶蛋白。鉴定了寻靶蛋白,它是负责将细胞与胞外基质物理连接的分子。
与实施例2相似,光致氧化的牛心包膜是完全非细胞的交联基质,将其重悬于不锈钢盒中,并植入Wistar大鼠的腹腔。用每组2只大鼠研究了两个不同植入时间(1.5天和3天)。根据动物分配的组别,在1.5天或3天后回收植入物。为该目的,再次麻醉动物,再次打开伤口,取出盒。取出后,立即将基质小片放入RNAlater RNA稳定试剂(Qiagen)中,直到抽提RNA。
背景基因表达,即巨噬细胞的基因表达,获自3只大鼠中经巯基乙酸酯-(无菌盐水配制的2ml 3%巯基乙酸酯,过滤除菌)诱导的腹膜内巨噬细胞。
用TRIzol试剂(Invitrogen)抽提总RNA,然后用Rneasy小抽柱(Mini SpinColumn)(Qiagen)进一步纯化。在VIB(Flemish Interuniversitary Institute forBiotechnology)的微阵列试验室分别用Agilent 2100生物分析仪(Agilent Technologies)和Nanodrop分光光度计控制总RNA的完整性和纯度。按照Affymetrix指南由5μg总RNA制备探针,证实没有降解或杂质的迹象(260/280和260/230>1.8)。简要说,用聚dT-T7引物从总RNA逆转录聚-A RNA,在T7体外转录反应期间用AffymetrixIVT标记试剂盒进行标记(目录号900449,Affymetrix,High Wycombe,英国)。纯化探针(GeneChip样品清洁模块,目录号P/N900371,Affymetrix,英国),并再次分析产率(30-120μg)和纯度(260/280和260/230>1.8)。用碱水解使20μg片段化。将片段化的aRNA和对照掺加物(spike)重悬在300μl杂交缓冲液溶液中(真核杂交控制试剂盒,目录号900299,Affymetrix,High Wycombe,英国),在45℃的电热恒温箱中杂交200μl探针。洗涤基因芯片(Affymetrix基因芯片大鼠基因组230 2.0阵列,Affymetrix,英国),并在基因芯片流体台(GeneChip Fluidics Station)400(Affymetrix,英国)上用EukGE-WS2v4方案染色,然后用基因芯片扫描仪3000(Affymetrix,UK)扫描。用GCOS进行图像分析。
用获自不同动物的非集合样品一式三份地进行该实验。用GCOS进行图像分析。达到上述背景水平且具有显著性(p<0.05)的探针强度值被认为是有信号。用按照基因本体论分类法对基因分类的Onto-Express进行微阵列数据的功能分析。[Draghici等(2003)Nucleic Acids Res.31,3775-3381]。
如实施例3所示,初步反应发生后,建立胞外基质分子和寻靶蛋白,可在第三天提供细胞粘着位点。
分析中考虑了微阵列芯片上存在的所有基因(±31000)。维恩图解(图11)给出了基因表达发现的概况。比较FBR和IP的表达分布型,发现了3868个FBR3和2957个FBR1.5特定基因(非巨噬细胞来源)。主要感兴趣的基因编码胞外基质蛋白和信号转导蛋白,这些蛋白能够吸引和寻靶已显示参与非成熟FBR的干细胞,。虽然同时在FBR1.5和FBR3中发现了诸如不同胶原和层粘连蛋白等结构分子的显著信号,但GO分组的这些分子的总体表达仅在后一组中有显著性。这意味着不管FBR1.5组中一些结构分子的表达如何,仅在FBR3组中发现那些基因在细胞寻靶后的突出贡献。在FBR3和FBR1.5中,分别将85种和116种基因归因于信号转导物活性,GO术语是例如基质细胞衍生因子1γ(SDF-1),它是能结合于造血干细胞的分子,因此是整合入生物物质的感兴趣候选物。
从这些结果可以看出,SDF-1和SCF都出现在这种成年组织新生中,它们都是用于研究体内干细胞/祖细胞寻靶至血管/瓣膜假体的候选寻靶蛋白。
实施例4:大鼠的颈动脉移植物。
通过将小口径血管移植物作为插入物植入普通颈动脉来评价纳米材料包被材料的再接种潜力。该移植物是含有1μg/管的SDF-1或SCF(30μl PBS配制)的光致氧化心包膜手工制作,牛心包膜经或未经纤连蛋白的预先包被。该移植物仅在适当位置保留24小时,足以实现细胞粘着,但不足以导致细胞分化,这会导致丢失其干细胞特性。制备牛心包膜的管道,使其内径约为大鼠颈动脉的内径。通过将一小片光致氧化的材料在小规格塑料插管上卷绕并用显微外科技术缝合长边制造移植物。移植物长约5mm,内径小10倍。将移植物的内径与普通颈动脉的内径相比看出移植物的内径约大20%。选择较大内径是因为初次植入物在患者体内保留数周。
植入方案修改的Boeckx(1997)Ann.Thorac.Surg.63,S128-S134)公开的家兔方案。用异氟烷(诱导:4%;手术:2%)麻醉380-400g的雄性Wistar大鼠(各材料组n=6)。剃毛并用碘酒消毒后,将普通颈动脉从周围组织中分离出来,并装上Acland-型微钳。然后横切动脉,采用7点缝合技术用10/0单丝尼龙缝合移植构建物的近端和远端(Kirsch等(1992)Am.Surg.58,722-727),共需要9-12针。针头抓住管壁的全部厚度。需要小心的是,仅针头接触动脉内膜。在不用解痉药(如罂粟碱)和抗凝药(如肝素)的情况下进行整个过程。缝好最后一针后,去除两个Acland型微钳。数分钟后(保证完全止血),缝合皮肤。停止麻醉,约5分钟后动物苏醒,将其转移到单个笼中。
24小时后,再次打开伤口,先提起移植物,用磷酸盐缓冲盐水洗涤。切下移植物和各接合部位上的一小段天然颈动脉。用磷酸盐缓冲盐水温和冲洗内腔,然后充满组织冷冻培养基。包埋到相同培养基中后,用液氮迅速冷冻样品,保存于-80℃。在Microm HM500 OM低温恒温器(Prosan,Merelbeke,比利时)上进行切片。将7μm纵向切片放在聚-L-赖氨酸包被的玻片上,储存于-20直到染色。
要强调干细胞吸引,因此,用免疫组化法染色样品的四种标记物:CD3(BDPharmingen;克隆G4.18),c-kit(Santa Cruz Biotechnology;克隆H-300),CD34(DAKO;克隆QBEnd 10),Sca-1(R&D Systems;山羊多克隆)。下表说明了用各抗体染色的细胞类型。
表4:用于细胞染色的抗体
标记物 同义词 细胞类型
CD3 T细胞(Nicollls等,同上)
CD117 c-kit、SCF受体 干细胞亚组(Buhring等,同上;Gehling等,同上)
CD34 造血祖细胞(Askari等(2003),Lancet 362,697-703;Okada等,同上),循环系统未成熟细胞(Taguchi等,同上),间充质干细胞(Rombouts和Ploemacher,同上)
Sca-1 干细胞抗原 干细胞(Krause等,同上)
所有第一抗体都用荧光染料、FITC或得克萨斯红偶联的抗体检测。用Axioplan2成像显微镜(Zeiss,Zaventem,比利时)和Axiovision 4.4软件包(Zeiss,Zaventem,比利时)进行图像分析。为进行细胞表型分析,共评价了250个细胞各自的纵截面,结果表示为百分数。为了避免偏见,按照随机列表取数张图片,切成四块并计数。
总之,没有发现定量细胞粘附的显著性差异(表5)
表5:细胞计数数据
对照 SCF  FN+SCF  SDF-1  FN+SDF-1
细胞计数 2276[158,5490] 3212[1293,4324]  1299[1044,2812]  2316[1619,3359]  1697[969,2861]
在两组中发现了CD34阳性细胞。这些细胞存在于对照组(1.85[0.00,7.21]%),植入大鼠血管后仅进行自发性接种。而且,它们显示出存在于SCF浸渍的光致氧化牛心包膜中(3.84[0.00,11.08]%),虽然发现了数值上的增加,但由于个体之间的巨大差异这种增加没有显著性。其余三组不含CD34+细胞。
CD117免疫染色的结果见图12(A)。由光致氧化的心包膜组成的对照样品显示在植入大鼠颈动脉后存在(中值)4.70[2.14,12.17]%的CD117+细胞。用SCF或SDF-1浸渍相同基质材料能显著增加植入物内腔侧上或其中的CD117+细胞分数。对于SCF和SDF-1,分别发现15.78[10.04,47.90]%和34.02[26.32,37.39]%的分数。虽然纤连蛋白共浸渍对CD34+和Sca-1+细胞的存在没有影响,但发现CD117+细胞的寻靶显著增加。纤连蛋白和SCF的共浸渍产生的CD117+细胞分数为47.84[41.10,66.00]%。虽然数值上增加较大,但由于SCF组中CD117+分数的巨大差异,这种增加没有显著性。另一方面,发现与SDF-1组相比时,纤连蛋白和SDF-1共浸渍组的CD117+分数的增加(48.90[42.32,54.08]%)是显著性增加。通常,发现所有浸渍方案都能诱导CD117阳性细胞寻靶增强,尤其是SCF或SDF-1与纤连蛋白的组合导致约50%细胞成为此标记阳性细胞。
最后,研究了经或不经纤连蛋白预包被的含有SDF-1或SCF的光致氧化牛心包膜对Sca-1+干细胞的吸引(参见图12b)。在对照中,在总共6个移植物的2个中发现一些Sca-1阳性细胞。当浸渍相同基质材料时,这导致所有植入物中粘着了Sca-1阳性细胞,也导致Sca-1阳性细胞百分数显著增加。Sca-1阳性细胞可归因于干细胞组或T细胞亚组。所有植入物中都显示T细胞染色(抗CD3免疫组化)阴性,从而验证了Sca-1阳性干细胞特异性寻靶到浸渍材料。
实施例5:植入绵羊颈动脉的小块。
已经将SCF和SDF-1浸渍的牛心包小片植入绵羊颈动脉。采用这两种蛋白之前用或不用纤连蛋白包被基质材料。将四小片植入各(左和右)颈动脉。在各侧植入对照以及1μg、3μg和10μg/cm2的包被小片。对照植入下游,随后植入1、3和10μg/cm2小片,其中将10μg/cm2小片植入最上游的位置。图13显示发现了一些CD34+细胞(造血干细胞/祖细胞)。

Claims (29)

1.一种包含结构基质的支架,其特征在于,用一种或多种寻靶因子包被所述基质。
2.如权利要求1所述的支架,其特征在于,所述支架是血管支架或心脏瓣膜。
3.如权利要求1或2所述的支架,其特征在于,所述寻靶因子能够将祖细胞或干细胞结合于所述基质。
4.如权利要求1-3中任一项所述的支架,其特征在于,所述结构基质是不可生物降解的。
5.如权利要求1-4中任一项所述的支架,其特征在于,所述寻靶因子是受体的配体,或包含受体结合域的配体片段,或结合于受体的肽。
6.如权利要求5所述的支架,其特征在于,所述受体在所述干细胞或祖细胞上表达。
7.如权利要求1-6中任一项所述的支架,其特征在于,所述寻靶因子选自基质细胞来源因子1、干细胞因子、VCAM-1、纤维蛋白原P1区或纤维蛋白原P2区。
8.如权利要求1-7中任一项所述的支架,其特征在于,所述寻靶因子是基质细胞来源因子1或SCF。
9.如权利要求1-8中任一项所述的支架,它不包含趋化因子或动员因子。
10.如权利要求1-8中任一项所述的支架,它还包含趋化因子和/或动员因子。
11.如权利要求1-10中任一项所述的支架,其特征在于,还涂有促进寻靶因子和结构基质之间相互作用的一种或多种蛋白。
12.如权利要求11所述的支架,其特征在于,所述促进蛋白选自纤连蛋白、胶原或纤维蛋白原。
13.如权利要求1-12中任一项所述的支架,其特征在于,所述寻靶因子通过连接臂的方式包被于所述结构基质。
14.如权利要求13所述的支架,其特征在于,所述连接臂是可生物降解的。
15.如权利要求11所述的支架,其特征在于,所述寻靶因子和促进结合结构基质的蛋白以融合蛋白形式连接于基质。
16.如权利要求1-15中任一项所述的支架,其特征在于,所述结构基质是非交联假体或非细胞主动脉根。
17.一种制备支架的方法,其包括用寻靶因子包被基质的步骤。
18.如权利要求17所述的方法,其特征在于,所述支架是心脏瓣膜或血管支架。
19.如权利要求17或18所述的方法,其特征在于,用促进寻靶因子和结构基质之间相互作用的一种或多种蛋白预包被所述支架的基质。
20.如权利要求17-19中任一项所述的方法,其特征在于,所述寻靶因子化学交联于所述结构基质。
21.如权利要求17-20中任一项所述的方法,其特征在于,通过用含有所述寻靶因子的溶液浸渍所述基质进行所述包被。
22.一种成套工具,其包括用于移植物的结构基质和一种或多种寻靶因子。
23.如权利要求22所述的成套工具,其特征在于,所述移植物是血管或心脏瓣膜的形式。
24.如权利要求22或23所述的成套工具,其特征在于,所述寻靶因子是干细胞和/或祖细胞特异性受体的配体。
25.如权利要求22-24中任一项所述的成套工具,其特征在于,所述寻靶因子选自基质细胞来源因子1、干细胞因子、VCAM-1、纤维蛋白原P1区或纤维蛋白原P2区,或者保留其受体结合能力的它们的片段或衍生物。
26.如权利要求22-25中任一项所述的成套工具,还包括促进基质细胞来源因子和结构基质之间相互作用的蛋白。
27.如权利要求26所述的成套工具,其特征在于,所述促进寻靶因子和结构基质之间相互作用的蛋白选自纤连蛋白、胶原和纤维蛋白原。
28.一种将寻靶因子用于制备可植入装置的应用。
29.如权利要求28所述的应用,其特征在于,所述装置是心脏瓣膜或血管移植物。
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