研究背景：

心肌梗死（MI）是全世界心血管疾病發(fā)病和死亡的主要原因。MI導致心肌細胞大量損傷，最終破壞了心肌組織的結構和功能，導致心臟功能障礙。傳統(tǒng)治療無法有效逆轉(zhuǎn)梗死后心肌組織的損傷和功能障礙�；�于水凝膠貼片（ECP）已被證明可以有效地構建修復性微環(huán)境，從而在梗死心肌上橋接電和機械刺激，可以防止心肌變薄和擴張，改善心臟功能。通過考慮和優(yōu)化生物相容性、機械性能和導電性等因素，ECP可以成功促進心肌修復。

基于此，南方醫(yī)科大學邱小忠教授/王樂禹教授團隊在《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》期刊發(fā)表題目為“A Strongly Robust Chitosan-Based Programmed Control Functional Hydrogel Improved Mitochondrial Function and Pro-Vascularization for Adaptive Repair of Myocardial Infarction”的研究文章。
 

本研究構建了一種基于殼聚糖（CS）程序控制功能化的ECP（CS/TA@PAs-Eu），用于修復MI。CS作為一種生物相容性良好的多糖，具有良好的降解性，并且其含有的游離氨基可以引發(fā)陰離子交換，形成離子傳導網(wǎng)絡。通過將CS水凝膠中的氫鍵結構設計為可控制的，來構建穩(wěn)定的機械性能，并滿足ECP的穩(wěn)健性要求。此外，通過引入具有抗氧化和促血管生成作用的天然小分子，如α-硫辛酸（TA）、原花青素（PA）以及功能性金屬離子Eu³⁺，可以進一步改善ECP的生物活性和修復效果。該ECP利用冰模板輔助構建CS水凝膠，并通過嵌入聚（TA）網(wǎng)絡、PAs的交聯(lián)作用以及PAs與Eu³⁺的螯合作用來增強其離子電導率、改善線粒體功能，并具有抗氧化和促血管生成特性，最終評價其對梗死心肌的治療效果及心功能的恢復情況。

研究方法：
文中采用64通道電標測技術（Electrical Mapping，MappingLab Limited，UK）評估大鼠心臟左心室正常和梗死心肌邊界區(qū)域的傳導時間、速度、場電位振幅等電信號的變化。

研究結果：

1、CS/TA@PAs-Eu 水凝膠的制備和表征

首先，通過調(diào)控酸性到堿性環(huán)境的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了殼聚糖水凝膠的有序構建，從而獲得了具有良好機械性能和柔韌性的水凝膠網(wǎng)絡。在低溫環(huán)境下，由于氫氧根離子的程序化滲透，通過冰晶模板的強聚合氫鍵形成了堅固的水凝膠網(wǎng)絡（見方案1）。采用這種程序化氫鍵構建的水凝膠表現(xiàn)出強大的機械穩(wěn)健性，有望為梗死心肌提供持久的機械支撐。同時，利用輔酶Q10的熱開環(huán)效應構建了聚（TA）網(wǎng)絡，并引入PAs分子來構建CS/TA@PAs-Eu水凝膠的雙網(wǎng)絡結構（見方案2）。
 

方案1. 低溫堿性滲透誘導的程序化氫鍵構建CS水凝膠


方案2. 關于功能化CS水凝膠（CS/TA@PAs-Eu）構建及其在心肌梗死修復中的應用的示意圖說明
 

通過冰晶模板的輔助構建，水凝膠具有相互連接的大孔結構。PAs的添加進一步交聯(lián)了CS分子，導致孔結構的縮小。TA的嵌入使得水凝膠呈現(xiàn)黃色，而PAs的均勻錨定則使水凝膠由黃色過渡為紅色。進一步的實驗結果表明，CS/TA@PAs-Eu水凝膠具有良好的機械抗性和穩(wěn)健性，其通過程序化氫鍵構建的網(wǎng)絡使得水凝膠具有穩(wěn)定的結構。此外，水凝膠的大孔結構有助于細胞的附著，并且對應變具有良好的恢復能力。通過添加PAs和Eu³⁺，水凝膠的電導性得到提高，為其在心肌組織中的應用提供了基礎。這些結果證實，通過程序化氫鍵構建的CS/TA@PAs-Eu水凝膠具有穩(wěn)定的凝膠結構（圖1）。
 

圖1. 水凝膠的數(shù)字照片和掃描電子顯微鏡圖像
 

2、體外CMs的成熟和功能化

接下來，評估水凝膠對心肌細胞（CMs）存活和成熟度的影響。結果表明，基于殼聚糖的水凝膠具有良好的細胞相容性，能維持CMs的高存活率。添加了TA、PAs和Eu³⁺等功能組分后，水凝膠對CMs的存活和成熟度有進一步促進作用。此外，水凝膠的功能組分釋放效應對CMs的生長環(huán)境起到持續(xù)影響，進一步促進了細胞的成熟和功能化。在細胞水平上，水凝膠對CMs的α-肌動蛋白和CX43蛋白表達具有積極影響，有助于細胞間的連接和電耦合，從而提高了細胞的自發(fā)收縮能力。這些結果證明了功能化水凝膠在促進CMs存活和成熟方面的生物學效應，為MI修復提供了新的治療策略。
 

圖2. 水凝膠上CMs的Live/Dead染色，并根據(jù)Live/Dead染色圖像定量測定細胞活力
 

3、水凝膠的抗氧化性能、線粒體保護功能及促血管化

隨后又評估了水凝膠的抗氧化能力，發(fā)現(xiàn)CS/TA@PAs-Eu水凝膠對多種自由基具有良好的清除效果，包括H₂O₂、·OH、·O₂−和DPPH。殼聚糖本身具有一定的抗氧化活性，而添加了TA和PAs后，水凝膠的抗氧化性能得到了進一步增強。實驗結果還顯示，CS/TA@PAs-Eu水凝膠能夠有效清除細胞內(nèi)ROS，改善線粒體功能，并提高細胞的ATP水平。這些發(fā)現(xiàn)表明，CS/TA@PAs-Eu水凝膠用于清除MI微環(huán)境中的過量ROS，并改善線粒體功能具有潛力。
 

緊接著評估水凝膠對人臍靜脈內(nèi)皮細胞（HUVEC）的影響，特別是其對血管再生的作用。結果顯示，CS/TA@PAs-Eu水凝膠具有良好的生物相容性，能促進HUVEC管道形成并增強細胞遷移能力。此外，添加Eu³⁺可以改善水凝膠對HUVEC的存活率，同時促進血管生成。總體而言，這些發(fā)現(xiàn)表明所構建的功能性水凝膠具有改善梗死心肌血管再生的潛力。
 

圖4. 水凝膠處理下HUVECs的Live/Dead染色和細胞增殖活性

4、水凝膠對梗死后心功能的改善

接下來評估水凝膠對心肌梗死后心臟功能的恢復效果。實驗結果表明，水凝膠處理能改善大鼠的存活率，并顯著增強心臟的收縮活動和壁厚。特別是CS/TA@PAs-Eu水凝膠處理組表現(xiàn)出最顯著的修復效果。此外，水凝膠還抑制了心肌組織的纖維化，并保持了心室壁厚度。這些結果表明，CS/TA@PAs-Eu水凝膠有望通過促進心臟泵血能力、抑制心室重塑以及對梗死心肌的修復，改善心力衰竭（圖5）。
 

圖5. 水凝膠植入前后的心臟的超聲心動圖圖像
 

CS/TA@PAs-Eu水凝膠在心肌梗死（MI）修復過程中的改善效果可以歸因于其多方面的干預作用。MI后早期的炎癥反應是病理性ROS誘導的，主要源自受損的線粒體。因此，評估不同水凝膠處理組梗死心肌中線粒體形態(tài)的變化，結果顯示，CS/TA、CS/TA@PAs和CS/TA@PAs-Eu水凝膠能更好地保護線粒體的完整性，減輕ROS對線粒體結構的損傷，并防止心肌細胞凋亡和損傷。此外，水凝膠處理顯著降低了梗死心肌中ROS水平，并促進了電-收縮耦合的恢復，維持了心肌電生理功能（圖6）。對梗死心臟中電信號傳導的測量結果顯示，CS/TA@PAs-Eu水凝膠對電信號傳導的改善效果最為顯著（圖S15）。水凝膠處理還促進了梗死心肌的血管生成，并通過調(diào)節(jié)巨噬細胞極化來抑制纖維化。總的來說，CS/TA@PAs-Eu水凝膠的功能成分持續(xù)釋放有助于改善MI修復的多個方面，包括線粒體功能、抗氧化和促血管生成。此外，水凝膠在主要組織（肝臟、脾臟、肺和腎臟）中的生物安全性在植入后4周進行了評估，結果顯示每組主要器官的組織切片沒有顯著差異。這些結果表明水凝膠在體內(nèi)具有良好的生物相容性。
 

圖6. MI三維線粒體結構的透射電鏡圖像


圖S15. 使用64通道電標測系統(tǒng)檢測梗死4周時不同組Langendorff灌注心臟的電標測圖像，以及梗死部位記錄的局部場電位電圖
 

綜上，CS/TA@PAs-Eu水凝膠可有效改善心肌梗死的修復。通過一系列實驗結果表明，CS/TA@PAs-Eu水凝膠具有較強的機械性能和生物相容性，有助于心肌細胞的成熟和功能化。在動物實驗中，該水凝膠表現(xiàn)出對心肌梗死的適應性修復作用，包括改善線粒體功能、抗氧化、電生理重建和促進血管生成等方面�？偟膩碚f，這項研究為MI的治療提供了一個新的潛在方案。