Eine Brücke für das Blut: Bahnbrechende Fortschritte bei der Entwicklung kleinkalibriger künstlicher Blutgefäße

Mit der Verbesserung des Lebensstandards der Menschen breiten sich ungesunde Lebensstile wie Rauchen, Trinken, langes Aufbleiben und Bewegungsmangel allmählich im Alltag der Menschen aus. Eine der Folgen dieses Trends ist die anhaltende Zunahme von Herz-Kreislauf-Erkrankungen bei unseren Bürgern.

Daten aus dem „China Cardiovascular Health and Disease Report 2020“ zeigen, dass Todesfälle durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen in China den größten Anteil der Todesfälle unter der Stadt- und Landbevölkerung ausmachen. Auch im „China Cardiovascular Disease Medical Quality Report 2021“ wurde deutlich darauf hingewiesen, dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen derzeit die häufigste Todesursache unter der chinesischen Bevölkerung sind .

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Künstliche Blutgefäße sind ein wichtiges Medizinprodukt bei der Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Bei schweren Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist eine Gefäßtransplantation oft die wirksamste Behandlung. Durch den Ersatz erkrankter Blutgefäße durch künstliche Blutgefäße kann der Blutkreislauf des menschlichen Körpers sichergestellt werden.

Vor kurzem haben das Technische Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und das der Capital Medical University angeschlossene Beijing Anzhen Hospital zusammengearbeitet, um gemeinsam Medikamente gegen Blutgerinnung und Thrombozytenaggregation anzuwenden. Indem sie Blutgefäßen mit kleinem Kaliber eine „doppelte Antikoagulanzienwirkung“ verliehen, haben sie künstliche Blutgefäße mit kleinem Kaliber entwickelt, die einer akuten Thrombose wirksam widerstehen können.

Warum also erfreuen sich kleinkalibriger künstlicher Blutgefäße besonderer Beliebtheit? Welche Schwierigkeiten gibt es bei ihrer Forschung und Entwicklung? Welche Fortschritte wurden bei dieser Forschungs- und Entwicklungsarbeit erzielt? Lassen Sie es uns gemeinsam herausfinden.

Künstliche Blutgefäße: Klein hat seine Tücken

Die dicksten Blutgefäße im menschlichen Körper, wie beispielsweise die Aorta, können einen Durchmesser von mehr als 30 Millimetern erreichen; während die dünnsten Kapillaren einen Durchmesser von nur einem Hundertstel Millimeter haben, also einen tausendfachen Unterschied. Um menschliche Blutgefäße zu ersetzen, müssen wir daher künstliche Blutgefäße mit unterschiedlichen Durchmessern entwickeln.

Im Allgemeinen werden künstliche Blutgefäße mit einem Durchmesser von weniger als 6 mm als künstliche Blutgefäße mit kleinem Kaliber klassifiziert, während solche mit einem Durchmesser von mehr als 6 mm als künstliche Blutgefäße mit großem Kaliber klassifiziert werden.

Aufgrund der unvermeidlichen Probleme wie Thrombose, Intimahyperplasie usw. ist die langfristige Durchgängigkeitsrate von künstlichen Blutgefäßen mit kleinem Kaliber derzeit sehr niedrig. Daher besteht dringender Bedarf an der Entwicklung eines Blutgefäßes mit kleinem Kaliber für die klinische Anwendung. Die Hauptgründe für das Versagen der kleinkalibrigen Gefäßtransplantation sind folgende:

Erstens ist die Blutflussrate in kleinen Blutgefäßen relativ langsam und das Blut verbleibt dort lange, so dass die Blutplättchen genügend Zeit haben, sich auf der Oberfläche des „nicht-menschlichen“ Materials des künstlichen Blutgefäßes zu sammeln und eine Gerinnungsreaktion auszulösen, die im Frühstadium der Transplantation zur Entstehung einer akuten Thrombose führt.

Zweitens neigen glatte Muskelzellen aufgrund von Faktoren wie unvollständiger Intima und Entzündungen zu einer übermäßigen Proliferation, was zu einer Intimahyperplasie führt, die bei längerer Implantation kleiner Blutgefäße erneut zu einer Stenose führen kann.

Drittens kommt es aufgrund von Einschränkungen bei den Vorbereitungsmaterialien und der Anastomosetechnologie häufig zu einer Nichtübereinstimmung der Compliance zwischen künstlichen und natürlichen Blutgefäßen, was leicht zu Problemen wie Intimahyperplasie und Restenose des Lumens führen kann.

Im Gegensatz dazu haben große Blutgefäße eine hohe Blutflussrate, eine schnelle Blutflussrate und einen starken Spüleffekt, sodass sie weniger wahrscheinlich verstopfen. Zweitens ist das Lumen großer Blutgefäße weit und lokale Thrombosen und Intimahyperplasie haben kaum Auswirkungen auf sie, was für kleine Blutgefäße tödlich ist.

Die klinische Anwendung künstlicher Blutgefäße mit kleinem Kaliber ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Bei dieser gemeinsamen Forschung zwischen dem Institut für physikalische und chemische Forschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und dem Beijing Anzhen Hospital konzentrierten sich die Wissenschaftler auf das Problem, wie sich akute Thrombosen in den frühen Stadien einer Transplantation verhindern lassen, und führten Forschungen und Entwicklungen an neuen künstlichen Blutgefäßen mit kleinem Kaliber durch.

Heparin + Aspirin, Antikoagulation mit doppelter Wirkung

Wir wissen, dass der Zweck der Blutgerinnung darin besteht, geplatzte Blutgefäße zu verschließen, damit es aufgrund einer kleinen Wunde nicht zu starken Blutungen kommt. Der Mechanismus der Gerinnung ist relativ komplex. Einfach ausgedrückt sind Blutplättchen an der Aktivierung von Fibrinogen beteiligt, um ein Fibrinnetzwerk zu bilden. Das Fibrinnetzwerk fungiert als „Bewehrungsstahl“ und füllt den „Beton“ mit roten Blutkörperchen, um schnell eine Wand zu bauen und das Loch zu verschließen.

Bei Kontakt mit einem künstlichen Blutgefäß, also einem nicht lebenden Objekt, wird jedoch der Blutgerinnungsmechanismus ausgelöst und es bilden sich aufgrund der Gerinnung Blutgerinnsel im künstlichen Blutgefäß, was zum Versagen des Transplantats führt.

Da die Bildung von Blutgerinnseln von Fibrin und Blutplättchen abhängt, versuchte das Forschungsteam, das Auftreten dieser beiden Substanzen in künstlichen Blutgefäßen zu verhindern und aus dieser Perspektive neue künstliche Blutgefäße zu entwickeln.

Einerseits ist bereits bekannt, dass unter der gemeinsamen Wirkung mehrerer Gerinnungsfaktoren Fibrinogen im Blut in Fibrin umgewandelt wird. Heparin ist eine Substanz, die Gerinnungsfaktoren wirksam entgegenwirken kann und daher häufig verwendet wird, um Thrombosen vorzubeugen oder die Blutversorgung der Gebärmutter während der Schwangerschaft zu verbessern.

Andererseits ist die Thrombozytenaggregation auch eine der wichtigen Voraussetzungen für eine Thrombose. Aspirin, ein seit langem bekanntes Medikament, hat eine gute Thrombozytenaggregationshemmung, die die Funktion der Blutplättchen beeinträchtigen und so die Entstehung von Thrombosen verhindern kann.

Können wir also durch die Kombination von Heparin und Aspirin und deren Einbettung in künstliche Blutgefäße die Entstehung von Blutgerinnseln verhindern und so die Erfolgsrate der Transplantation kleinerer künstlicher Blutgefäße verbessern? Basierend auf dieser Idee führte das wissenschaftliche Forschungsteam eine Reihe von Studien durch.

Schematische Darstellung der Herstellung und Funktion des PCL/PU-HepA-Gefäßstents (Bildquelle: vom Autor bereitgestellt)

Zunächst wählten die Wissenschaftler Polycaprolacton (PCL) und Polyurethan (PU)-Verbundstoffe als Baumaterialien für die neuen künstlichen Blutgefäße. Durch die präzise Steuerung des Verhältnisses der beiden können die mechanischen Eigenschaften künstlicher Blutgefäße reguliert werden.

Zweitens probierten Wissenschaftler bei der Einführung von Heparin und Aspirin in künstliche Blutgefäße viele verschiedene Versuchsbedingungen aus und fanden schließlich eine Methode, um durch eine langsame Reaktion unter milden Bedingungen einen Heparin-Aspirin-Komplex herzustellen.

Auf diese Weise kann das kleine Molekül Aspirin an das große Molekül Heparin angehängt werden, wodurch zwei Medikamente gleichzeitig in das künstliche Blutgefäß eingeführt werden und so eine stärkere gerinnungshemmende Wirkung erzielt wird.

Abschluss

So entstand ein neuer Typ künstlicher Blutgefäße mit kleinem Kaliber. Dieses künstliche Gefäßstentmaterial wird hauptsächlich durch Elektrospinnen hergestellt und die Herstellungstechnologie ist relativ ausgereift. Auch die Synthese und das Pfropfen von Heparin-Aspirin-Komplexen sind relativ einfach zu bewerkstelligen.

Aufgrund der begrenzten Produktionseffizienz beim Elektrospinnen und bei organischen Synthesereaktionen befindet sich das künstliche Blutgefäß noch in der Laborforschungs- und -entwicklungsphase. Aber im Prozess der wissenschaftlichen Erforschung ist die Erkenntnis von „0“ bis „1“ oft wichtiger und grundlegender als die Erkenntnis von „1“ bis „100“. Ich bin davon überzeugt, dass mit der weiteren Verbesserung dieser neuen Technologie und der Steigerung der Produktionseffizienz in naher Zukunft neue künstliche Blutgefäße mit kleinem Kaliber eine größere Rolle im Kampf der Menschheit gegen Herz-Kreislauf-Erkrankungen spielen werden.

Autor: Li Lei, Zhou Siyuan, Wu Dayong, Yang Xiubin

Einheit des Autors: Technisches Institut für Physik und Chemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Beijing Anzhen Hospital, Capital Medical University

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