Advanced Healthcare Materials: 医工交叉助力心脏病治疗的新时代

心肌梗死是冠心病中最常见的死亡原因之一。心肌梗死的病理生理基础是心肌血液供应不足,导致细胞凋亡和恶性心室重塑,最终发展为心力衰竭而死亡。近几十年来,科学家们在心肌梗死后损伤修复研究上投入了大量的资源,尽管目前各种心脏再生策略已取得一定成果,但仍存在一些问题,目前尚不具备临床应用的条件。医工交叉以临床需求为导向,将生物、材料、纳米等学科的研究方法、技术结合应用于医学问题的解决。在心脏治疗中,结合生物材料、仿生材料、纳米医学等开发新方法,有望解决细胞移植后损伤、定植等问题,实现长期有效的靶向治疗,对心肌梗死后再生修复有重要意义。

来自北卡州立大学、北卡大学教堂山分校的程柯教授课题组致力于医工交叉融合,通过研发结合生物材料和纳米医学等新型治疗策略修复损伤心脏 。近日该课题组在Advanced Healthcare Materials发表了专题综述文章,归纳总结不同类型医工结合新型治疗策略的设计理念和应用,对比分析其优越性和改进方式,为今后的心脏治疗研究提供丰富的理论基础。

该文主要从三大方面进行阐述:

  1. 首先讨论了旁分泌机制在新一代细胞疗法再生作用中扮演重要角色
  2. 细胞疗法进一步发展面临严峻挑战
  3. 生物材料、纳米技术与生物医学的结合有望开启心脏病治疗的新纪元

旁分泌机制是指细胞通过分泌释放大量生长因子、趋化因子、外泌体等生物活性物质作用于损伤心肌。这些因子可以通过促进心肌保护、血管新生、调节局部炎症反应、促进细胞外基质重塑等实现修复作用。旁分泌机制在心脏再生中的作用已经被研究了几十年,但是具体到每个多功能分子的作用机制研究仍然是一个挑战。主要因为其涉及的多功能分子及其相互作用的信号通路范围太大。此外,分子信号通路在时间和空间表达模式上的多样性增加分析的复杂性。当然,具体机制的进一步探索无碍于旁分泌治疗作用的发挥。目前心脏的细胞疗法在临床治疗中的安全性已得到广泛证明,但是其应用性和有效性发挥仍有颇多限制。移植后的细胞的自我分化和复制虽然起到治疗作用,但是增加了高致瘤性的风险。移植到心脏的大量细胞则可能诱发心律失常,异体细胞移植可导致免疫排斥反应。细胞的提取、培养、储存和运输是复杂、昂贵和耗时的,很难满足批量生产高质量的药品规范化要求。此外,通过循环系统运输的细胞缺乏靶向性、心肌注射细胞则创伤性较大,长期的治疗效果由于移植细胞的低保留/移植率与生存率而难以保证。

结合生物材料、仿生材料、纳米医学等新方法,有望从多角度、多层次解决上述细胞移植面临的问题,实现长期有效的靶向精准治疗,助力心脏损伤后再生修复。该文中展现了新型细胞治疗衍生物,包括人工细胞、外泌体、心脏补丁等。 这些新型细胞治疗衍生物克服细胞治疗的多重限制,以不同的作用方式实现心肌梗死后心肌修复。在精准递送方面,本文概括了多种不同的靶向损伤心脏的方式,包括多肽介导、磁力介导、抗体介导、以及血小板介导的受损心肌靶向技术 。这些靶向方式,通过不同的作用机理,实现治疗物质精准递送到损伤心脏,发挥修复作用。医工交叉推动了新型细胞治疗衍生物和靶向治疗新策略的出现,打破单纯细胞旁分泌修复的局限性,将心脏治疗推向了一个全新的高度,但仍有许多不足之处需要进一步改进。文章中也对这些新型策略的改进方式提出建议。包括建立该领域公认的评价心脏靶向效率的标准,如何优化合成细胞所包裹的蛋白组成、达到产业化生产标准,如何增强制备的纳米颗粒的均一性,如何减少侵入式手术程序等。更进一步,如何将这些新型治疗策略通过进一步优化转化为临床治疗产品,任重道远。

该综述发表在Advanced Healthcare Materials (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.201801011) 上。本文的第一作者为美国北卡州立大学比较生物医学专业博士生黄珂 。

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