【前沿进展】Cell Regen | 钙化性主动脉瓣疾病的体内外模型

Review | Published: 1 March 2024

钙化性主动脉瓣疾病（Calcific Aortic Valve Disease ，CAVD）是一种主动脉瓣的进行性病变，是高龄人群中常见的心脏瓣膜疾病之一，其发病率随着全球老龄化的加速逐年上升。尽管CAVD研究已取得重大进展，但目前临床上仍然缺乏有效的药物预防和治疗手段。近年来，研究人员提出了多种CAVD模型来模拟其复杂的发病过程，探索其发病机制，以寻求合适的治疗方案。

近日，湖北大学生命科学学院的蔡琳副教授和首都医科大学基础医学院的裴建秋副教授团队联合在Cell Regeneration上发表了题为“Models for calcific aortic valve disease in vivo and in vitro”的综述文章，全面总结和分析了近年来钙化性主动脉瓣疾病的体内外模型的优势和局限性，特别强调了三维培养技术在模型构建中的重要作用。此外，文章还为推进这些CAVD模型的未来发展和潜在应用提供了前瞻性建议。

钙化性主动脉瓣疾病是由于主动脉瓣小叶中钙沉积和纤维化的积累所致，涉及遗传和环境因素以及各种细胞和分子机制等复杂动态的主动病变进展过程。二叶式主动脉瓣是CAVD的先天性危险因素，此外，高血压、肥胖、肾功能不全等也与CAVD易感性升高有关。正常的主动脉瓣包括三个小叶，由纤维层、海绵状层和心室层组成，整个结构被瓣膜内皮细胞包裹，其中填充有瓣膜间质细胞。瓣膜间质细胞在肌成纤维细胞和成骨细胞通路之间具有复杂的分化，了解其分化过程对钙化主动瓣膜疾病的建模至关重要。由于缺乏合适的动物模型，现有研究大都聚焦于CAVD的晚期变化上，尚且难以开展针对疾病早期和中期阶段的研究。

CAVD的体内模型主要为小鼠，兔子和猪的饮食诱导、转基因以及机械性损伤模型。已有研究常常通过饮食诱导来建立动物模型。虽然小鼠的主动脉瓣组织缺乏自发钙化所需的三层结构，但由于其体型小、易于饲养和遗传操纵等优点，仍然是建立CAVD模型的首选。而将高脂饮食与基因或其他改变相结合所建立的CAVD小鼠模型，在研究中最为常见。兔子具备了三层瓣膜形状，但与人之间的脂质代谢存在差异；猪模型与人类的心脏解剖结构和脂质代谢都非常相似，但其实验时间长且经济成本高。至于转基因动物模型，ApoE−/−和Ldlr−/−小鼠、遗传性高脂血症家兔（WHHL），以及具有突变LDLR或载脂蛋白基因的猪都有被用于CAVD研究。此外，机械损伤模型是通过对瓣膜小叶施加压力或损伤，引发炎症反应和病理组织重塑来诱发CAVD，目前常使用球囊导管或金属丝探针来诱导损伤。然而，当前还没有任何一种动物模型能完全代表人类CAVD，因此建议将多种动物模型与体外实验协调结合使用。

表 CAVD动物模型的优缺点

CAVD的体外模型主要为平面细胞和3D细胞培养，用以模拟主动脉瓣结构和CAVD的动态发展。平面细胞培养模型的常见策略有两种，一是从CAVD患者或动物的钙化主动脉瓣中分离主动脉瓣细胞，二是通过主动脉瓣膜的成骨分化培养基诱导健康瓣膜钙化。体外CAVD模型的类型

由于瓣膜间质细胞在平面培养过程中会自发活化，研究人员开发出了三维的体外CAVD模型，主要包括离体模型和细胞培养模型。离体CAVD模型是在体外保持瓣膜结构完整的情况下，用于阐明机械和代谢因素对瓣膜结构的破坏和钙化，但通常需要复杂的设备，成本高昂，且容易受到污染。

细胞培养模型可分为基于支架的共培养系统和基于水凝胶的系统，支架可以由去细胞化的细胞外基质或非水凝胶合成材料制成，而水凝胶大致分为天然水凝胶、合成水凝胶和混合型水凝胶等。对于3D培养模型中细胞的选择，最常见的方法是将水凝胶与瓣膜间质细胞混合，然后加入诱导条件刺激钙化形成，防止瓣膜间质细胞的自发活化。此外，形状和功能模拟也是体外瓣膜和钙化建模的关键方面。总体而言，三维主动脉瓣钙化组织模型仍处于萌芽阶段，但其潜在应用前景广阔。随着跨学科整合的不断进步、材料科学的创新以及瓣膜细胞分化和3D打印技术的完善，三维组织模型有望成为 CAVD 研究和治疗不可或缺的工具。

在过去的二十年里，心血管疾病模型的开发取得了重大进展。CAVD的各种模型发展很快，加深了我们对于其发病机制的理解。尽管每种模型都有相应的局限性，但随着学科的交叉和新技术的出现，CAVD模型将会进一步提升和完善，并最终为开发有效的方法来预防和治疗该疾病铺平道路。

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原标题：《【前沿进展】Cell Regen | 钙化性主动脉瓣疾病的体内外模型》

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