20世紀(jì)60年代初,Ross首次成功地將人同種主動(dòng)脈瓣原位移植于人體,經(jīng)過(guò)近40a臨床技術(shù)和瓣膜保存方法的不斷改進(jìn),國(guó)內(nèi)外有關(guān)活性同種異體主動(dòng)脈瓣的研究不斷發(fā)展,同種生物瓣的研究和應(yīng)用取得了很大進(jìn)步。人同種帶瓣管道具有中心血流、抗鈣化及抗血栓形成且無(wú)需術(shù)后長(zhǎng)期抗凝治療等優(yōu)點(diǎn),從而在臨床應(yīng)用上顯示出其他瓣膜無(wú)可比擬的優(yōu)越性及應(yīng)用前景。盡管臨床上瓣膜的應(yīng)用歷史比較早,但國(guó)內(nèi)外對(duì)于同種瓣膜的組織活性與冷凍保存時(shí)間的相關(guān)性研究尚少見報(bào)道。本研究目的在于通過(guò)對(duì)瓣膜組織活性的量化,探討適宜的瓣膜保存期限,為臨床應(yīng)用同種異體瓣提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
1、材料和方法
1.1 材料
選用(18~35)歲健康成年男性腦死亡30min內(nèi)取材的主動(dòng)脈瓣20個(gè)。供體心臟均在腦死亡后30min內(nèi)無(wú)菌取出,剪開心臟四腔,4℃生理鹽水沖洗3次,用3層無(wú)菌塑料袋盛入供心并逐層線扎,冰壺帶回,在無(wú)菌臺(tái)上修剪成帶瓣管道。實(shí)驗(yàn)分為新鮮瓣膜對(duì)照組(Ⅰ組)和冷凍保存組(Ⅱ~Ⅹ組)。對(duì)照組取材后不入液氮內(nèi)保存,瓣葉剪下后直接供實(shí)驗(yàn)用。冷凍保存組依據(jù)在液氮((196℃)中保存時(shí)間分為Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ,Ⅹ組,分別為冷凍保存1,3,6,9,12,15,18,21,24mo的瓣膜。每組2個(gè)瓣膜共6個(gè)瓣葉。
1.2 方法
修剪備用的帶瓣主動(dòng)脈管道浸入含低濃度抗生素和二甲基亞砜(DMSO)的RPMI1640營(yíng)養(yǎng)液中,3層無(wú)菌耐低溫塑料袋分別束扎,外裹錫箔袋,標(biāo)記時(shí)間后,置入4℃冰箱中2h,再置入液氮蒸氣中使瓣膜緩慢降溫,最后放入液氮中長(zhǎng)期保存,降溫速率保持在1℃?min-1 左右。定期添加液氮,使瓣膜始終保持在-196℃。實(shí)驗(yàn)當(dāng)日取保存不同時(shí)間的帶瓣管道在37℃水浴箱中快速?gòu)?fù)溫5min,然后掀去包裹薄膜,再在37℃無(wú)菌生理鹽水中快速?gòu)?fù)溫,復(fù)溫中不斷輕柔翻動(dòng)帶瓣管道,使其各部位的溫度均勻上升。新鮮組瓣膜及冷凍復(fù)溫后各組瓣膜均在超凈工作臺(tái)上無(wú)菌取出,剪切瓣葉并觀察其大體形態(tài),分切瓣葉并切成1mm×1mm×1mm組織碎塊做以下實(shí)驗(yàn)分析。
1.2.1 瓣膜細(xì)胞活力測(cè)定
組織碎塊置入2。5g?L-1 胰蛋白酶溶液在室溫下消化2~3h,200目鋼網(wǎng)過(guò)濾,濾液經(jīng)1500r?min-1 離心10min,去上清液,加入少量營(yíng)養(yǎng)液終止消化,1500r?min -1 離心10min,去上清液,制備成5×106左右的細(xì)胞懸液,加入20g?L-1 胎盼藍(lán),滴入血細(xì)胞計(jì)數(shù)器,光鏡下計(jì)數(shù)四個(gè)大格內(nèi)的著色細(xì)胞和拒染細(xì)胞即活細(xì)胞,根據(jù)下式計(jì)算細(xì)胞活力:細(xì)胞活力=[拒染細(xì)胞數(shù)/(著色細(xì)胞數(shù)+拒染細(xì)胞數(shù))]×100%
1.2.2 組織培養(yǎng)觀察
各組瓣膜組織碎塊置入25mL培養(yǎng)瓶?jī)?nèi),待組織塊貼壁后,加入少量含100mL?L-1 胎牛血清(FCS)的RPMI1640營(yíng)養(yǎng)液中,在37℃含50mL?L-1 二氧化碳培養(yǎng)箱中孵育72h,觀察組織生長(zhǎng)情況并追加少量營(yíng)養(yǎng)液。以后每3d更換營(yíng)養(yǎng)液一次,培養(yǎng)后3,7,10,14,17,21,24和28d在倒置光相差顯微鏡下觀察并攝像記錄。
統(tǒng)計(jì)學(xué)處理:瓣膜細(xì)胞活力測(cè)定結(jié)果以(x ±s%)表示,用SigmaStat2。0統(tǒng)計(jì)軟件包處理,冷凍保存組各組與新鮮瓣膜組組間數(shù)據(jù)行t檢驗(yàn),P<0。05為有顯著性差異。
2、結(jié)果
2.1 瓣膜細(xì)胞活力
?、窠M瓣膜細(xì)胞活力最大,為93.85%。Ⅱ~Ⅹ組細(xì)胞活力均較Ⅰ組減低(P<0.05),且隨保存時(shí)間加長(zhǎng)而逐漸減低;Ⅷ,Ⅸ,Ⅹ各組的細(xì)胞活力與Ⅰ組及Ⅱ~Ⅶ組相比明顯減低(P<0.05,Tab1)。表1 新鮮瓣膜組與冷凍保存瓣膜組的細(xì)胞活力對(duì)比(略)。
2.2 組織培養(yǎng)
Ⅰ組組織培養(yǎng)1wk時(shí)細(xì)胞從組織塊邊緣開始移行,細(xì)胞增殖較快,細(xì)胞數(shù)目較多,4wk時(shí)鏡下細(xì)胞占滿培養(yǎng)瓶壁;Ⅱ~Ⅶ組瓣膜組織細(xì)胞移行較新鮮瓣膜組稍晚,約1~2wk時(shí)間,細(xì)胞增 殖稍慢,細(xì)胞數(shù)目仍較多,4wk時(shí)鏡下細(xì)胞數(shù)較多;Ⅷ~Ⅹ組瓣膜組織細(xì)胞在2wk后開始移行,細(xì)胞增殖較慢,細(xì)胞數(shù)目較少,4wk時(shí)鏡下細(xì)胞數(shù)較Ⅰ組明顯減少(Fig1~6)。
3、討論
人同種主動(dòng)脈瓣具有中心血流、抗鈣化及抗血栓形成且無(wú)需術(shù)后長(zhǎng)期抗凝治療等優(yōu)點(diǎn),從而在臨床應(yīng)用上顯示出其他瓣膜無(wú)可比擬的優(yōu)越性及應(yīng)用前景。
臨床資料表明,人活性同種主動(dòng)脈瓣的耐久性(dura-bility)優(yōu)于無(wú)活性瓣膜。1962年,Ross首先在臨床上將人同種主動(dòng)脈瓣(human aortic valve homo-graft,HAVH)原位置換成功。同年Barratt-Boyes 報(bào)道了44例HAVH置換的成功經(jīng)驗(yàn),但這些瓣膜活性喪失,瓣膜10a衰壞率較高。
1960年代后期,臨床采用4℃營(yíng)養(yǎng)液保存的HAVH,其組織細(xì)胞在保存液中可存活1wk,瓣膜壽命延長(zhǎng),衰壞率降低。1970年代后期,O’Brien等采用液氮保存的HAVH(cry-opreserved aortic valve homograft,CAVH),行主動(dòng)脈置換術(shù)192例,發(fā)現(xiàn)瓣膜耐久性明顯提高,10a衰壞率為零;同時(shí)發(fā)現(xiàn)CAVH植入宿主體內(nèi)9a3mo,經(jīng)細(xì)胞培養(yǎng)證明供體瓣纖維細(xì)胞能在宿主體內(nèi)長(zhǎng)期存活,并提出纖維細(xì)胞存活的同種活細(xì)胞瓣膜(viable aortic valve homograft,VAVH)的概念。VAVH具有良好的血流動(dòng)力學(xué)、較強(qiáng)的抗感染、抗血栓作用且無(wú)需抗凝治療,它的抗張強(qiáng)度較無(wú)活性瓣膜大為提高,所有上述功能的優(yōu)越性都基于瓣膜組織良好的結(jié)構(gòu)完整性,包括纖維細(xì)胞功能代謝正常及纖維支架的形態(tài)結(jié)構(gòu)較完整等。HAVH的采集、滅菌處理、保存方法等均可影響瓣膜活性和組織代謝。采集時(shí)主要考慮二種因素的影響:供體的年齡和熱缺血時(shí)間(warm ischemia time,WIT)。供體選擇健康成年人,年齡多在20~35歲。
有資料表明,超過(guò)45歲的供體臨床使用后易發(fā)生瓣膜蛻變、鈣化和關(guān)閉不全。供體在心腔冷灌前主要為熱缺血損傷,隨WIT延長(zhǎng),組織細(xì)胞可發(fā)生胞質(zhì)水腫、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴(kuò)張、線粒體腫脹等可逆性損傷,隨WIT不斷增加,細(xì)胞可產(chǎn)生線粒體絮狀沉積、核膜溶解、核染色質(zhì)丟失、細(xì)胞裂解等不可逆性損傷,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡,因此應(yīng)盡量縮短WIT。本研究中WIT控制在30min內(nèi),及時(shí)對(duì)供體心腔用4℃生理鹽水冷灌沖洗,盡快清除殘留在心腔及瓣膜上的血塊,有效地降低了瓣膜組織溫度,使瓣膜組織細(xì)胞代謝減慢,從而減低組織細(xì)胞因缺血缺氧產(chǎn)生的損傷。HAVH采集后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行滅菌處理。瓣膜應(yīng)用早期,滅菌時(shí)使用毒性較大的化學(xué)物質(zhì)或以高能電子射線照射,組織抗張強(qiáng)度差,瓣膜耐久性差,已不再使用。目前瓣膜滅菌普遍采用低濃度抗生素滅菌法,這種方法能較好地保存組織活細(xì)胞。我們采用的HAVH處理和滅菌方法源于美國(guó)鹽湖城的L.D.S醫(yī)院,并把保存液中的小牛血清含量提高5%,經(jīng)此方法處理和冷凍保存的瓣膜臨床應(yīng)用效果良好。瓣膜在降溫過(guò)程中加用適宜濃度的冷凍保護(hù)劑(甘油、DMSO等),可有效地減少冷凍損傷。冷凍降、復(fù)溫對(duì)瓣膜組織結(jié)構(gòu),特別是內(nèi)皮細(xì)胞影響較大。采用快速降溫(10~100℃?min-1 )時(shí),細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核和染色體內(nèi)均有冰晶形成,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)易于破裂;溫度驟降使細(xì)胞內(nèi)酶變性導(dǎo)致低溫休克(thermal shock)對(duì)細(xì)胞的損害作用更甚于冰凍的機(jī)械作用。本實(shí)驗(yàn)證明,緩慢降溫對(duì)組織的破壞較輕,而采用1℃?min-1 降溫效果最佳,這與有些報(bào)道結(jié)果相同。在不同的降溫速率,DMSO對(duì)組織細(xì)胞的 影響也不同,1℃?min-1 降溫時(shí)DMSO的適宜濃度為100g?L-1 。復(fù)溫常采用37~42℃水溶液中快速?gòu)?fù)溫,以減少組織過(guò)冰點(diǎn)時(shí)細(xì)胞再結(jié)晶的形成。
我們?cè)诳焖購(gòu)?fù)溫過(guò)程中,采用37℃恒溫水浴箱復(fù)溫,水溫始終保持于37℃左右,并快速解除包裹塑料膜,再在無(wú)菌溶液中梯度融解,冷凍保護(hù)劑得到及時(shí)稀釋,從而維持了組織細(xì)胞內(nèi)外滲透壓的平衡,組織破壞較輕,并在順梯度濃度稀釋時(shí)加用適量營(yíng)養(yǎng)液,從而最大可能地保留了瓣膜組織活細(xì)胞。瓣膜組織觀察的指標(biāo)有組織結(jié)構(gòu)、組織活性、細(xì)胞增殖能力、代謝功能、細(xì)胞特異性抗原鑒定等,其中組織活性和細(xì)胞增殖能力是反映瓣膜是否具有活性的兩個(gè)重要指標(biāo)?;钚允侵讣?xì)胞或組織維持自身和與外界能進(jìn)行正常交換的能力,組織活性主要觀測(cè)細(xì)胞活力,包括內(nèi)皮細(xì)胞和纖維細(xì)胞的活力;細(xì)胞增殖能力則主要觀察組織細(xì)胞培養(yǎng)后的生長(zhǎng)情況。細(xì)胞活力測(cè)定可定量反映瓣膜組織細(xì)胞存活程度。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,新鮮瓣膜的細(xì)胞活力最高,且細(xì)胞增殖能力較高,說(shuō)明新鮮瓣膜最大限度地保留了組織活細(xì)胞,組織結(jié)構(gòu)較完整,細(xì)胞增殖活躍。液氮保存的瓣膜組織細(xì)胞活力均較新鮮瓣膜顯
著減低,說(shuō)明液氮保存1mo的瓣膜組織細(xì)胞即出現(xiàn)損傷情況,且其程度與瓣膜冷凍保存時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,冷凍保存時(shí)間愈長(zhǎng),瓣膜組織細(xì)胞損傷愈重,組織細(xì)胞存活率愈低。理論上認(rèn)為,液氮保存時(shí)組織代謝接近停止,瓣膜活細(xì)胞可長(zhǎng)期保存,但瓣膜組織代謝雖處于低水平,卻沒(méi)有完全停止,細(xì)胞仍處于緩慢的無(wú)氧代謝過(guò)程,細(xì)胞內(nèi)外可能仍有離子交換及滲透壓的改變,隨保存時(shí)間延長(zhǎng),細(xì)胞內(nèi)外代謝產(chǎn)物不斷積累,以及冷凍降溫過(guò)程中各種物質(zhì)濃度積累到有害程度,可導(dǎo)致細(xì)胞完整性的破壞,從而使細(xì)胞受到損傷。液氮保存1~15mo瓣膜組織活細(xì)胞在60%以上,組織培養(yǎng)后的細(xì)胞生長(zhǎng)情況較好,證明液氮保存1~15mo的瓣膜組織保留大部分的組織活細(xì)胞,且細(xì)胞增殖能力仍在較高水平,瓣膜組織活性較高。而液氮保存18~24mo瓣膜組織活細(xì)胞在50%或以下,且細(xì)胞增殖能力較差,雖然保留了部分組織活細(xì)胞,但從整體上看,瓣膜組織活性較低,因此臨床應(yīng)用價(jià)值較小。
綜上所述,液氮保存可影響瓣膜的組織代謝和活性,其程度隨保存時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸加重。結(jié)合形態(tài)學(xué)及相關(guān)資料可以認(rèn)為,液氮保存1~15mo瓣膜組織活性仍較高,瓣膜組織代謝相對(duì)處于較高水平,臨床應(yīng)用價(jià)值較大;而液氮保存18~24mo瓣膜組織活性明顯減低,瓣膜組織代謝相對(duì)處于較低水平,瓣膜活性較差,其臨床耐久性可能減小。因此可認(rèn)為,人同種主動(dòng)脈瓣膜保存期限以15mo以內(nèi)為宜。