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四川大學趙長生/趙偉鋒《Nat.Biomed.Eng》:水凝膠微球使凝血因子失活,使體外血液凈化過程中的血液臨時變稀

在體外血液凈化過程中,會給予抗凝劑以防止血栓形成。但是,由于患者之間的差異,確定抗凝劑的準確劑量會很復雜,這些患者中抗凝劑的清除率會隨疾病狀態而變化。接受過量抗凝劑血液凈化的患者可能會出現出血性并發癥,例如腦出血,嚴重的胃腸道出血,而抗凝劑給藥不足的患者可能會出現與凝血相關的并發癥,包括血液中的血栓形成。因此,傳統的抗凝劑在血液凈化中的使用是一種低安全性的策略,而諸如血液凈化后出血風險等關鍵問題仍未得到滿足。為應對這些關鍵挑戰,四川大學趙長生教授趙偉鋒副教授團隊提出了一種的血液稀化策略,該方法采用聚合物微球代替體外抗凝藥物來結合體外循環中的凝血因子。當放置在藥筒中時,這些聚合物微球具有出色的穩定性,并有效結合凝血因子VIII,IX和XI。因此,在體外管和血液透析儀中都防止了血液凝結。在體外循環中,血液被引入新的設備,然后通過血液透析儀或血液灌流設備實現同時的抗凝,內源性毒素清除和液體去除。血友病是由凝血因子(如VIII,IX或XI)不足引起的。因此,我們將此體外血液稀釋策略命名為假血友病模型。不同于血友病患者中凝血因子的長期缺乏,假性血友病模型中凝血因子的部分缺乏是暫時的和局部的。純化后,假血友病血液在重新引入患者體內后迅速恢復至正常狀態,從而避免了使用抗凝劑。相關工作以“Transient blood thinning during extracorporeal blood purification via the inactivation of coagulation factors by hydrogel microspheres”為題發表在《Nature Biomedical Engineering》上。


【水凝膠球的設計,理化特性和生物相容性】為了防止水凝膠球體意外暴露于人體中,將球體的尺寸設計在微米范圍內,并通過電噴涂制備。在水凝膠三維網絡內引入磺酸基,羥基和羧基中,以提供血液稀釋屬性。為了增加水凝膠的尺寸穩定性,將疏水性聚合物骨架引入到水凝膠網絡中。選擇聚醚砜作為骨架,同時添加N-乙烯基-2-吡咯烷酮以增強骨架的親水性,使其能夠與血液充分接觸。為了探索兩種聚合物在水凝膠網絡中的最佳比例,制備了具有不同水凝膠網絡的各種微球,并通過能量分散光譜,元素分析和X射線光電子能譜進行了表征。進行一系列凝血實驗以確定耗盡因子的水凝膠網絡的最佳組成。選擇了在最低濃度下將凝結時間從5分鐘延長到180分鐘以上的微球,以進行進一步研究,將其稱為增強型抗凝水凝膠微球(RAHMs)。進行了一系列實驗以評估RAHM的血液相容性。疏水性聚合物微球(HPMs)顯示出比RAHMs高的白蛋白吸附水平,從而表明它們具有良好的血液相容性。通過測量血小板粘附水平和血小板因子4(PF4)的濃度,系統地研究了RAHMs對血小板活化的影響。在全血中孵育RAHM后,PF4的生成濃度與對照組無顯著差異。使用溶血實驗研究了RAHM的紅細胞相容性。以上實驗表明,微球對血細胞的影響可忽略不計,因此可以安全地用于治療。選擇人補體片段3a(C3a)和C5a作為代表性的過敏毒素,以評估RAHM對補體激活系統的影響。發現RAHMs不會誘導激肽釋放酶-激肽系統的活化,并且在與血液接觸時會抑制TAT的產生。此外,還研究了RAHM的抗菌粘附特性,很難觀察到明顯的細菌粘附在RAHM的表面上,表明RAHM的長期保存是可能的。

球體的設計和生物相容性體外評估【水凝膠微球的血液稀釋特性】為了驗證RAHM在血液凈化方面的潛在適用性,在體外系統驗證了它們的血液稀釋特性。用不同濃度的RAHM孵育后,研究了凝血酶時間(TT),活化的部分凝血活酶時間(APTT),凝血酶原時間(PT)和血漿中纖維蛋白原的濃度。表明RAHMs對內在凝血途徑中的凝血因子具有較強的抑制作用,而HPMs則顯示出較弱的血液稀釋特性。與凝血因子的活性相比,RAHMs對抗凝血酶活性的作用較弱。證明糖醛酸主鏈結構和磺酸基團在設計具有肝素樣抗凝血酶活性的抗凝聚合物中至關重要。因此,盡管磺化的表面賦予RAHM良好的血液稀釋特性,但其相對較弱的肝素樣抗凝血酶活性可能是由于缺乏糖醛酸骨架所致。還研究了不同濃度下RAHM的血漿重鈣化時間(PRT),并使用血清蛋白電泳,凝血時間測試和快速血栓彈力描記術對正常全血和假血友病血進行比較。與正常全血相比,假血友病血顯示出更長的凝血時間,更低的凝血因子活性以及更少的纖維蛋白和血小板聚集,而血清蛋白的分布卻保持正常。最后進行了基于質譜的蛋白質組學研究,以鑒定RAHM和HPM上的表面附著/結合凝血蛋白,表明RAHMs的凝血因子耗竭能力是其優異的血液稀釋特性的原因。



評估球體的血液稀釋特性

【假性血友病模型在體內的療效和安全性】考慮到RAHMs的高血液相容性,出色的血液稀釋能力,低的細胞毒性和抗菌粘附特性,研究人員預期不使用傳統抗凝劑同時進行體外抗凝治療和體內止血功能的快速恢復是可行的。因此,通過將RAHM放入定制設備中來制備血液稀釋設備,使用健康的比格犬在體內研究了RAHM的功效和安全性。



假性血友病模型的建立及其體內安全性

【假性血友病模型在體內的功效】研究人員預計通過使用這種假性血友病模型可以實現體外抗凝和體內止血功能的恢復,從而可以避免傳統抗凝劑引起的出血風險。因此,在動物實驗中,系統地研究了RAHMs的性能,并將其與臨床上最常用的抗凝劑肝素作為對照組進行比較。在治療過程中,治療結束后0、30、60和120分鐘以及治療結束后120分鐘采集的血樣經過不同的凝血時間測試。肝素治療組和RAHM治療組之間PT的延長無差異。但是,對于APTT和TT,兩組均顯示出明顯的延長。對于RAHM治療組,隨著治療的進行,延長時間逐漸減少,并在治療結束后120分鐘恢復到初始水平而對于肝素治療組,在整個實驗過程中血液仍保持抗凝狀態。假性血友病模型可以迅速恢復止血功能。以上結果表明,假性血友病模型在維持整個體外循環的通暢性方面顯示出顯著的能力。但是,在臨床中,血液透析需要使用透析液去除毒素。因此,用透析液流進行了血液透析治療,以研究假血友病模型在臨床情況下的性能。類似于沒有透析液的治療,RAHM在治療期間仍顯示APTT和TT的相當長的延長,這足以確保通過RAHM成功地應用血液稀釋。APTT和TT值無顯著差異,這表明透析液對RAHMs的血液稀釋特性影響很小,因為凝血因子在通過透析器之前已經被消耗掉了。結合假血友病模型的血液稀釋特性和止血功能的恢復,研究人員認為在血液透析臨床中可以實現更安全,更理想的血液稀釋策略。研究人員還研究了使用較小透析器進行血液透析的假血友病模型的行為,該透析器可能更適合狗。



假性血友病模型在體內的功效



假血友病模型在血液透析中的實際應用


總結這項工作顯示了在體外和在比格犬中,吸附凝血因子VIII,IX和XI的水凝膠微球在血液凈化之前放置在體外回路中時會提供臨時的血液稀釋。微球抑制凝血因子活性的水平類似于輕度血友病中發生的水平。在將其重新引入動物時,純化的假血友病血液有利于止血的更快恢復。臨時的稀血策略可以提高臨床血液凈化程序的安全性,避免出血的風險。并開發了并入RAHM設備還可以幫助使整個血液凈化設備小型化,并減少操作步驟。但是,為了使患者能夠接受,該設備必須輕巧且符合人體工程學,通過用本工作中介紹的血液稀釋設備代替肝素泵可以達到這些要求。假性血友病模型出血風險的降低比傳統的抗凝策略更有利于持續治療,可以指導未來用于患者護理的血液凈化設備的重新設計
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