Costruire un ponte per il sangue: progressi rivoluzionari nello sviluppo di vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro

Con il miglioramento degli standard di vita delle persone, stili di vita malsani, come fumo, alcol, stare alzati fino a tardi e mancanza di esercizio fisico, si stanno gradualmente diffondendo nella vita quotidiana delle persone. Una delle conseguenze di questa tendenza è il continuo aumento dell'incidenza delle malattie cardiovascolari tra i nostri cittadini.

I dati del "China Cardiovascular Health and Disease Report 2020" mostrano che in Cina le morti per malattie cardiovascolari rappresentano il numero maggiore di decessi tra i residenti urbani e rurali. Anche il "Rapporto sulla qualità medica delle malattie cardiovascolari in Cina del 2021" ha chiaramente evidenziato che le malattie cardiovascolari sono attualmente la principale causa di morte tra i residenti cinesi .

Fonte dell'immagine: galleria veer

Nel trattamento delle malattie cardiovascolari, i vasi sanguigni artificiali rappresentano un importante dispositivo medico. Nei casi gravi di malattie cardiovascolari, il trapianto vascolare è spesso il trattamento più efficace. Sostituendo i vasi sanguigni malati con vasi sanguigni artificiali, è possibile garantire le esigenze di circolazione sanguigna del corpo umano.

Di recente, l'Istituto tecnico di fisica e chimica dell'Accademia cinese delle scienze e l'Ospedale Anzhen di Pechino affiliato alla Capital Medical University hanno collaborato per applicare congiuntamente farmaci anticoagulanti e farmaci antipiastrinici. Grazie all'applicazione di un "doppio effetto anticoagulante" ai vasi sanguigni di piccolo calibro, sono stati sviluppati vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro, in grado di resistere efficacemente alla trombosi acuta.

Perché i vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro sono così popolari? Quali sono le difficoltà nella loro ricerca e sviluppo? Quali progressi sono stati compiuti in questo lavoro di ricerca e sviluppo? Scopriamolo insieme.

Vasi sanguigni artificiali: piccoli ma con le loro difficoltà

I vasi sanguigni più spessi del corpo umano, come l'aorta, possono raggiungere un diametro di oltre 30 millimetri; mentre i capillari più sottili hanno un diametro di appena un centesimo di millimetro, una differenza di migliaia di volte. Pertanto, per sostituire i vasi sanguigni umani, dobbiamo sviluppare vasi sanguigni artificiali di diversi diametri.

In genere, i vasi sanguigni artificiali con un diametro inferiore a 6 mm sono classificati come vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro, mentre quelli con un diametro superiore a 6 mm sono classificati come vasi sanguigni artificiali di grosso calibro.

Attualmente, a causa degli inevitabili problemi di trombosi, iperplasia intimale, ecc., il tasso di pervietà a lungo termine dei vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro è molto basso. Pertanto, è urgente sviluppare un vaso sanguigno di piccolo calibro per applicazioni cliniche. Le principali cause del fallimento del trapianto vascolare di piccolo calibro sono le seguenti:

Innanzitutto, il flusso sanguigno nei piccoli vasi sanguigni è relativamente lento e il sangue rimane lì per molto tempo, quindi le piastrine nel sangue hanno abbastanza tempo per raccogliersi sulla superficie del materiale "non umano" del vaso sanguigno artificiale, innescando una reazione di coagulazione, che porta al verificarsi di una trombosi acuta nella fase iniziale del trapianto.

In secondo luogo, a causa di fattori quali l'intima incompleta e l'infiammazione, le cellule muscolari lisce sono soggette a una proliferazione eccessiva, con conseguente iperplasia intimale, che può causare nuovamente stenosi quando i piccoli vasi sanguigni vengono impiantati per lungo tempo.

In terzo luogo, a causa delle limitazioni nei materiali di preparazione e nella tecnologia dell'anastomosi, spesso si verifica una discrepanza nella compliance tra i vasi sanguigni artificiali e quelli naturali, il che può facilmente portare a problemi quali iperplasia intimale e restenosi del lume.

Al contrario, i vasi sanguigni di grandi dimensioni hanno un flusso sanguigno elevato, una velocità di flusso sanguigno rapida e un forte effetto di lavaggio, quindi è meno probabile che si coagulino; in secondo luogo, il lume dei grandi vasi sanguigni è ampio e la trombosi locale e l'iperplasia intimale hanno scarsi effetti su di essi, il che è fatale per i piccoli vasi sanguigni.

L'applicazione clinica di vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro si scontra con numerose sfide. In questa ricerca collaborativa tra l'Istituto di ricerca fisica e chimica dell'Accademia cinese delle scienze e l'Ospedale Anzhen di Pechino, gli scienziati si sono concentrati sul problema di come prevenire la trombosi acuta nelle fasi iniziali del trapianto e hanno svolto attività di ricerca e sviluppo di nuovi vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro.

Eparina + aspirina, anticoagulazione a doppio effetto

Sappiamo che lo scopo della coagulazione è quello di bloccare i vasi sanguigni rotti, in modo da non sanguinare copiosamente a causa di una piccola ferita. Il meccanismo della coagulazione è relativamente complesso. In parole povere, le piastrine partecipano all'attivazione del fibrinogeno per formare una rete di fibrina. La rete di fibrina agisce come una "barra di rinforzo" e riempie il "cemento" di globuli rossi, creando rapidamente un muro che tamponi il buco.

Tuttavia, quando entra in contatto con un vaso sanguigno artificiale, un oggetto non vivente, il meccanismo di coagulazione del sangue verrà attivato e, a causa della coagulazione, all'interno del vaso sanguigno artificiale si formeranno coaguli di sangue, portando al fallimento del trapianto.

Poiché la formazione di coaguli di sangue dipende dalla fibrina e dalle piastrine, il team di ricerca ha cercato di impedire la comparsa di queste due sostanze nei vasi sanguigni artificiali e, da questa prospettiva, di sviluppare nuovi vasi sanguigni artificiali.

Da un lato, è già noto che, sotto l'azione congiunta di più fattori della coagulazione, il fibrinogeno presente nel sangue viene convertito in fibrina. L'eparina è una sostanza che può contrastare efficacemente i fattori della coagulazione, per questo motivo viene spesso utilizzata per prevenire la trombosi o aumentare l'afflusso di sangue all'utero durante la gravidanza.

D'altro canto, anche l'aggregazione piastrinica è uno dei prerequisiti importanti per la trombosi. L'aspirina, un farmaco di lunga data, ha un buon effetto antipiastrinico, che può inibire il funzionamento delle piastrine e quindi prevenire l'insorgenza di trombosi.

Quindi, se combiniamo eparina e aspirina e le inseriamo nei vasi sanguigni artificiali, possiamo prevenire la formazione di coaguli di sangue e quindi migliorare il tasso di successo del trapianto di vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro? Partendo da questa idea, il team di ricerca scientifica ha condotto una serie di studi.

Diagramma schematico della preparazione e della funzione dello stent vascolare PCL/PU-HepA (Fonte dell'immagine: fornita dall'autore)

Per prima cosa, gli scienziati hanno scelto compositi di policaprolattone (PCL) e poliuretano (PU) come materiali di costruzione per i nuovi vasi sanguigni artificiali. Controllando con precisione il rapporto tra i due, è possibile regolare le proprietà meccaniche dei vasi sanguigni artificiali.

In secondo luogo, quando hanno introdotto eparina e aspirina nei vasi sanguigni artificiali, gli scienziati hanno provato numerose serie di condizioni sperimentali e alla fine hanno trovato un metodo per preparare il complesso eparina-aspirina mediante una reazione lenta in condizioni blande.

In questo modo, la piccola molecola di aspirina può essere legata alla grande molecola di eparina, introducendo così due farmaci contemporaneamente nel vaso sanguigno artificiale ed esercitando così una funzione anticoagulante più potente.

Conclusione

È nato così un nuovo tipo di vaso sanguigno artificiale di piccolo calibro. Questo materiale per stent vascolari artificiali viene preparato principalmente tramite elettrofilatura e la tecnologia di preparazione è relativamente matura. Anche la sintesi e l'innesto dei complessi eparina-aspirina sono relativamente facili da realizzare.

A causa dei limiti dell'efficienza produttiva dell'elettrofilatura e delle reazioni di sintesi organica, il vaso sanguigno artificiale è ancora in fase di ricerca e sviluppo in laboratorio. Ma nel processo di esplorazione scientifica, la realizzazione da "0" a "1" è spesso più importante e più fondamentale della realizzazione da "1" a "100". Credo che nel prossimo futuro, con l'ulteriore miglioramento di questa nuova tecnologia e il miglioramento dell'efficienza produttiva, i nuovi vasi sanguigni artificiali di piccolo calibro svolgeranno un ruolo sempre più importante nella lotta dell'umanità contro le malattie cardiovascolari.

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

Unità dell'autore: Istituto tecnico di fisica e chimica, Accademia cinese delle scienze, Ospedale Anzhen di Pechino, Università medica della capitale

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