納米代謝組學(xué)揭示 3D 打印血管支架的生物響應(yīng)與代謝奧秘

來源：EFL生物3D打印與生物制造

心血管疾病已成為發(fā)達國家導(dǎo)致死亡和殘疾的主要原因，血管支架是治療心血管狹窄的有效手段。傳統(tǒng)方法制造的標準支架，因形態(tài)異質(zhì)性、穩(wěn)定性和生物相容性欠佳，容易引發(fā)血栓形成和心肌梗死等問題。3D打印技術(shù)為構(gòu)建個性化血管支架帶來新希望，3D打印血管支架（3D-PVS）能依據(jù)患者血管結(jié)構(gòu)定制，優(yōu)化機械性能，拓展臨床適應(yīng)癥。然而，目前3D-PVS的生物相容性分析僅停留在表型層面，其深層分子機制亟待探索，這限制了3D-PVS的臨床應(yīng)用。  

四川大學(xué)華西醫(yī)院的關(guān)俊文、張定坤教授團隊運用納米代謝組學(xué)技術(shù)，對3D-PVS的生物響應(yīng)及相關(guān)分子機制展開研究。他們通過對細胞模型（人臍靜脈內(nèi)皮細胞）進行非靶向納米代謝組學(xué)分析，初步探究3D-PVS對細胞代謝的影響；再基于此對大鼠模型進行靶向納米代謝組學(xué)研究，深入探索3D-PVS誘導(dǎo)的代謝重編程。  相關(guān)工作以“Nanometabolomics elucidated biological response of 3D printed vascular stents: Towards metabolic reprogramming of metabolome and lipidome”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上，為3D-PVS的臨床應(yīng)用提供了重要的理論和技術(shù)支持。

研究內(nèi)容
1. 3D-PVS誘導(dǎo)代謝重編程的研究流程構(gòu)建
通過規(guī)劃并展示一系列實驗步驟，研究如何借助納米代謝組學(xué)技術(shù)來探究3D-PVS誘導(dǎo)的代謝重編程機制。結(jié)果顯示，該研究流程涵蓋3D-PVS的制備與表征、體外和體內(nèi)模型的構(gòu)建、非靶向和靶向納米代謝組學(xué)分析以及生物信息學(xué)分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為深入探究3D-PVS植入引發(fā)的代謝重編程分子機制搭建了合理框架。

圖1. 基于納米代謝組學(xué)探究3D-PVS生物響應(yīng)的研究流程構(gòu)建。  

2. 3D-PVS的結(jié)構(gòu)表征
運用掃描電子顯微鏡（SEM）對3D-PVS進行觀察，研究其微觀結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，3D-PVS呈現(xiàn)出空心圓柱微晶格結(jié)構(gòu)，具備負泊松比（NPR）特性。這種結(jié)構(gòu)不僅增強了支架的韌性，還顯著提升了其徑向支撐力和抗壓性。同時，3D打印技術(shù)賦予3D-PVS規(guī)則且緊密排列的微觀結(jié)構(gòu)，有助于滿足臨床個性化治療需求。

圖2. 3D-PVS的表征。  

3. 基于HUVECs模型評估3D-PVS的生物相容性
采用細胞凋亡檢測、細胞活力檢測、熒光成像以及海馬細胞外流量分析等多種方法，以人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVECs）為模型，研究3D-PVS的生物相容性。結(jié)果顯示，低濃度（5mg/mL）和高濃度（15mg/mL）的3D-PVS在一定程度上具有較好的生物相容性。不過，15mg/mL的3D-PVS會促使細胞內(nèi)活性氧（ROS）產(chǎn)生和積累，抑制葡萄糖攝取與利用。但總體而言，在安全濃度范圍內(nèi)，3D-PVS的ROS相關(guān)毒性較低，對細胞的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖3. 基于HUVECs模型評估3D-PVS的生物相容性。

4. 非靶向水性代謝組學(xué)研究
利用LC-MS/MS系統(tǒng)進行非靶向水性代謝組學(xué)分析，研究3D-PVS處理后的HUVECs在代謝層面的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5mg/mL和15mg/mL的3D-PVS處理組與對照組相比，在代謝組水平上存在顯著差異。共鑒定出123種差異代謝物，這些代謝物涉及氨基酸、有機酸和脂肪酸等多個代謝途徑。其中，15mg/mL的3D-PVS誘導(dǎo)的代謝變化更為明顯，體現(xiàn)出一定的劑量依賴性。

圖4. 非靶向水性代謝組學(xué)研究。  

5. 非靶向脂質(zhì)組學(xué)研究
借助LC-MS/MS系統(tǒng)開展非靶向脂質(zhì)組學(xué)分析，探究3D-PVS處理后HUVECs的脂質(zhì)組變化情況。結(jié)果表明，3D-PVS處理組與對照組在脂質(zhì)組水平上呈現(xiàn)出明顯差異，共檢測到2585種差異脂質(zhì)，分屬于26個脂質(zhì)類別。15mg/mL的3D-PVS對差異脂質(zhì)水平的干擾程度大于5mg/mL的3D-PVS，5mg/mL的3D-PVS也對脂質(zhì)組產(chǎn)生了一定影響，進一步證實了3D-PVS與細胞相互作用的劑量依賴性。

圖5. 非靶向脂質(zhì)組學(xué)研究。  

6. 體內(nèi)模型的病理、成像和生化研究
通過建立大鼠體內(nèi)模型，對植入3D-PVS后的大鼠進行病理染色，并檢測氧化應(yīng)激相關(guān)生物標志物，研究3D-PVS植入對大鼠體內(nèi)的影響。結(jié)果顯示，3D-PVS在體內(nèi)表現(xiàn)出較好的生物相容性，未引起主要組織明顯的形態(tài)學(xué)差異。然而，植入3D-PVS會導(dǎo)致大鼠體內(nèi)產(chǎn)生一定程度的氧化應(yīng)激，具體表現(xiàn)為ROS和丙二醛（MDA）水平升高，而超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）和過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶的水平下降。

圖6. 體內(nèi)模型的病理、成像和生化研究。  

7. 靶向水性代謝組學(xué)研究
運用LC-MS/MS技術(shù)進行靶向水性代謝組學(xué)分析，研究3D-PVS植入后大鼠靜脈的代謝變化。結(jié)果表明，3D-PVS植入顯著影響了靜脈中的糖酵解和氨基酸代謝過程。其中，糖酵解過程增強，同時色氨酸、蛋氨酸和半胱氨酸等多種氨基酸代謝途徑發(fā)生波動。這些代謝變化有助于細胞抵抗3D-PVS植入引發(fā)的氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)和免疫排斥，維持代謝穩(wěn)態(tài)。

圖7. 靶向水性代謝組學(xué)研究。

8. 靶向脂質(zhì)組學(xué)研究
借助LC-MS/MS技術(shù)進行靶向脂質(zhì)組學(xué)分析，探究3D-PVS植入后大鼠靜脈的脂質(zhì)代謝變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3D-PVS植入導(dǎo)致靜脈中磷脂（如PC、PE和PS）水平升高，脂肪酸水平也相應(yīng)上升，甘油三酯（如MAG和DAG）和膽固醇酯（CE）水平增加，鞘脂（如Cer和SM）水平下降，肉堿（Car）水平升高。這表明3D-PVS植入引發(fā)了脂質(zhì)代謝的改變，使脂質(zhì)代謝傾向于能量儲存，同時對細胞的正常凋亡過程產(chǎn)生了一定干擾。

圖8. 靶向脂質(zhì)組學(xué)研究。  

9. 空間代謝組學(xué)研究
采用解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像（DESI-MSI）技術(shù)，研究3D-PVS處理后大鼠靜脈中差異代謝物的相對豐度和空間分布。結(jié)果顯示，3D-PVS處理導(dǎo)致部分脂質(zhì)（如SM（34:1）、SM（36:1）、SM（38:6）、PC（32:0）、PE（41:4）和DAG（35:4））水平下降，而脂肪酸（如油酸和亞油酸）水平升高。這一結(jié)果與靶向代謝組學(xué)和脂質(zhì)組學(xué)的研究結(jié)果相符，進一步證實了3D-PVS會引起差異代謝物和脂質(zhì)的重編程。

圖9. 空間代謝組學(xué)研究。   

10. “3D-PVS-生物體”相互作用的生物事件示意圖
通過整合各項實驗結(jié)果繪制示意圖，研究3D-PVS與生物體相互作用過程中的生物事件。結(jié)果表明，體外非靶向納米代謝組學(xué)顯示3D-PVS影響細胞代謝相關(guān)途徑；體內(nèi)靶向納米代謝組學(xué)揭示3D-PVS誘導(dǎo)代謝重編程，涉及糖酵解、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝等；空間代謝組學(xué)展示了差異脂質(zhì)的空間分布變化。這些結(jié)果共同揭示了3D-PVS在生物體內(nèi)的作用機制和代謝影響。

圖10. “3D-PVS-生物體”相互作用的生物事件示意圖。

研究結(jié)論
本研究利用納米代謝組學(xué)（包括非靶向/靶向水性代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)和空間代謝組學(xué)）闡釋了3D打印血管支架（3D-PVS）的生物響應(yīng)。這是首次運用納米代謝組學(xué)方法，從代謝層面研究3D-PVS生物效應(yīng)，并獲取多維度生物信息。研究結(jié)果顯示，3D-PVS在體外的安全濃度（<15mg/mL）會影響氨基酸或有機酸相關(guān)代謝，以及磷脂、鞘脂或甘油酯相關(guān)代謝。體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，3D-PVS能促進糖酵解和氨基酸代謝（包括色氨酸、半胱氨酸和甲硫氨酸、谷氨酸和賴氨酸代謝），并調(diào)節(jié)部分脂質(zhì)類別（如PC、PE、PS、MAG、DAG、Cer、SM、CE、Car和FFA）的穩(wěn)態(tài)。該研究為3D-PVS在生化、醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展提供了新視角，同時推動了納米代謝組學(xué)在闡釋3D打印納米材料生物醫(yī)學(xué)干預(yù)機制方面的技術(shù)和方法進步。

挑戰(zhàn)與展望
盡管本研究借助納米代謝組學(xué)對3D打印血管支架（3D-PVS）的生物響應(yīng)有了深入了解，但仍面臨挑戰(zhàn)。在代謝機制方面，雖然明確了3D-PVS對代謝途徑的影響，但具體分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)還不夠清晰，關(guān)鍵代謝節(jié)點的上下游調(diào)控關(guān)系有待進一步挖掘。從臨床轉(zhuǎn)化角度看，本研究僅在細胞和大鼠模型上進行，距離臨床實際應(yīng)用還有差距，不同個體間的差異可能導(dǎo)致3D-PVS的代謝響應(yīng)不同，如何將研究成果精準應(yīng)用于臨床是一大難題。  展望未來，一方面可深入探究3D-PVS影響代謝的分子調(diào)控細節(jié)，構(gòu)建完整的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)模型，為理解其生物效應(yīng)提供更堅實的理論基礎(chǔ)。另一方面，加強與臨床醫(yī)學(xué)的合作，開展更多人體相關(guān)研究，評估3D-PVS在不同人群中的代謝響應(yīng)差異，推動其從實驗室走向臨床應(yīng)用，為心血管疾病治療帶來新突破。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161051