心血管疾病已成為發達國家導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。傳統方法制造的標準支架，因形態異質性、穩定性和生物相容性欠佳，容易引發血栓形成和心肌梗死等問題。3D打印技術為構建個性化血管支架帶來新希望，3D打印血管支架（3D-PVS）能依據患者血管結構定制，優化機械性能，拓展臨床適應癥。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的臨床應用。  
       四川大學華西醫院的關俊文、張定坤教授團隊運用納米代謝組學技術，對3D-PVS的生物響應及相關分子機制展開研究。他們通過對細胞模型（人臍靜脈內皮細胞）進行非靶向納米代謝組學分析，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研究，深入探索3D-PVS誘導的代謝重編程。  相關工作以“Nanometabolomics elucidated biological response of 3D printed vascular stents: Towards metabolic reprogramming of metabolome and lipidome”為題發表在《Chemical Engineering Journal》上，為3D-PVS的臨床應用提供了重要的理論和技術支持。 
 

研究內容
1. 3D-PVS誘導代謝重編程的研究流程構建
        通過規劃并展示一系列實驗步驟，研究如何借助納米代謝組學技術來探究3D-PVS誘導的代謝重編程機制。結果顯示，該研究流程涵蓋3D-PVS的制備與表征、體外和體內模型的構建、非靶向和靶向納米代謝組學分析以及生物信息學分析等關鍵環節，為深入探究3D-PVS植入引發的代謝重編程分子機制搭建了合理框架。
 

2. 3D-PVS的結構表征
      運用掃描電子顯微鏡（SEM）對3D-PVS進行觀察，研究其微觀結構特征。結果表明，3D-PVS呈現出空心圓柱微晶格結構，具備負泊松比（NPR）特性。這種結構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打印技術賦予3D-PVS規則且緊密排列的微觀結構，有助于滿足臨床個性化治療需求。
 

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，以人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）為模型，研究3D-PVS的生物相容性。結果顯示，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會促使細胞內活性氧（ROS）產生和積累，抑制葡萄糖攝取與利用。但總體而言，在安全濃度范圍內，3D-PVS的ROS相關毒性較低，對細胞的影響在可接受范圍內。
 

4. 非靶向水性代謝組學研究
利用LC-MS/MS系統進行非靶向水性代謝組學分析，研究3D-PVS處理后的HUVECs在代謝層面的變化。結果發現，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誘導的代謝變化更為明顯，體現出一定的劑量依賴性。
 

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

6. 體內模型的病理、成像和生化研究
通過建立大鼠體內模型，對植入3D-PVS后的大鼠進行病理染色，并檢測氧化應激相關生物標志物，研究3D-PVS植入對大鼠體內的影響。結果顯示，3D-PVS在體內表現出較好的生物相容性，未引起主要組織明顯的形態學差異。然而，植入3D-PVS會導致大鼠體內產生一定程度的氧化應激，具體表現為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。
 

7. 靶向水性代謝組學研究
運用LC-MS/MS技術進行靶向水性代謝組學分析，研究3D-PVS植入后大鼠靜脈的代謝變化。結果表明，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生波動。這些代謝變化有助于細胞抵抗3D-PVS植入引發的氧化應激、炎癥反應和免疫排斥，維持代謝穩態。
 

8. 靶向脂質組學研究
借助LC-MS/MS技術進行靶向脂質組學分析，探究3D-PVS植入后大鼠靜脈的脂質代謝變化。結果發現，3D-PVS植入導致靜脈中磷脂（如PC、PE和PS）水平升高，脂肪酸水平也相應上升，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植入引發了脂質代謝的改變，使脂質代謝傾向于能量儲存，同時對細胞的正常凋亡過程產生了一定干擾。
 

9. 空間代謝組學研究
采用解吸電噴霧電離質譜成像（DESI-MSI）技術，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。結果顯示，3D-PVS處理導致部分脂質（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。這一結果與靶向代謝組學和脂質組學的研究結果相符，進一步證實了3D-PVS會引起差異代謝物和脂質的重編程。
 

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。結果表明，體外非靶向納米代謝組學顯示3D-PVS影響細胞代謝相關途徑；體內靶向納米代謝組學揭示3D-PVS誘導代謝重編程，涉及糖酵解、氨基酸代謝和脂質代謝等；空間代謝組學展示了差異脂質的空間分布變化。這些結果共同揭示了3D-PVS在生物體內的作用機制和代謝影響。
 

研究結論
       本研究利用納米代謝組學（包括非靶向/靶向水性代謝組學、脂質組學和空間代謝組學）闡釋了3D打印血管支架（3D-PVS）的生物響應。這是首次運用納米代謝組學方法，從代謝層面研究3D-PVS生物效應，并獲取多維度生物信息。研究結果顯示，3D-PVS在體外的安全濃度（<15mg/mL）會影響氨基酸或有機酸相關代謝，以及磷脂、鞘脂或甘油酯相關代謝。體內研究發現，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），并調節部分脂質類別（如PC、PE、PS、MAG、DAG、Cer、SM、CE、Car和FFA）的穩態。該研究為3D-PVS在生化、醫學和工業領域的應用和發展提供了新視角，同時推動了納米代謝組學在闡釋3D打印納米材料生物醫學干預機制方面的技術和方法進步。
挑戰與展望
      盡管本研究借助納米代謝組學對3D打印血管支架（3D-PVS）的生物響應有了深入了解，但仍面臨挑戰。在代謝機制方面，雖然明確了3D-PVS對代謝途徑的影響，但具體分子調控網絡還不夠清晰，關鍵代謝節點的上下游調控關系有待進一步挖掘。從臨床轉化角度看，本研究僅在細胞和大鼠模型上進行，距離臨床實際應用還有差距，不同個體間的差異可能導致3D-PVS的代謝響應不同，如何將研究成果精準應用于臨床是一大難題。  展望未來，一方面可深入探究3D-PVS影響代謝的分子調控細節，構建完整的調控網絡模型，為理解其生物效應提供更堅實的理論基礎。另一方面，加強與臨床醫學的合作，開展更多人體相關研究，評估3D-PVS在不同人群中的代謝響應差異，推動其從實驗室走向臨床應用，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

(責任編輯：admin)

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