Advanced Functional Materials:血管化导电弹性心肌补片促体内结构性血管吻合修复心肌梗死

心肌梗死是由冠状动脉突然阻塞引起的心肌缺血、坏死和心力衰竭,是全球发病率和死亡率的主要原因。目前的传统药物和手术治疗手段均无法重建弹性导电微环境来逆转心肌梗死和心功能恶化。利用组织工程原理构建的工程化心脏补片(ECPs)具有重建心肌再生微环境和修复心肌梗死的潜力。课题组前期研究表明导电弹性ECPs可以产生一个仿生的心脏微环境:导电性允许疤痕组织和健康心肌之间的电传导,弹性能够提供机械支持,防止梗死心脏的破裂。 然而,这种单纯导电弹性ECPs主要通过补片的物理环境和携带细胞的旁分泌作用发挥功效的,而很少与宿主心脏形成实质性连接,从而影响了修复效果。 血管化ECPs可通过结构性血管吻合与宿主心脏连接,可有效促进梗死区的再灌注。然而,工程化组织的体内外血管化是组织工程研究中长期面临的挑战,并且,基于导电弹性支架材料构建的血管化心肌补片亦较少报道。

近日,南方医科大学生物医学工程学院王乐禹教授与基础医学院邱小忠教授联合报道了一种充分血管化的导电弹性心肌补片,并将其应用在大鼠心梗治疗上,发现其对心肌损伤具有良好的修复作用(参见图1)。

图1. 血管化导电弹性心肌补片的构建及其通过与宿主心脏间建立功能性连接以促进大鼠心梗修复

在本研究中,我们将传统解剖铸形技术和新型导电生物材料(还原打孔氧化石墨烯/聚吡咯,rhGO/pPy)进行整合:将冠状动脉铸型作为预置模板,并将rhGO/pPy导电复合物引入聚甲基丙烯酸羟乙酯(poly-(hydroxyethyl methacrylate),p(HEMA)) 冷冻水凝胶中,从而成功制备出含三维仿生血管通道的p(HEMA)-rhGO/pPy冷冻水凝胶(HrhGP)。其中,刚性的聚吡咯纳米粒子在rhGO纳米片层之间会产生静电斥力,阻止其重新堆叠,反而可促进水凝胶弹性的形成,其和冰冻成胶方式一起赋予水凝胶仿生的弹性和韧性,而rhGO纳米片则增强了pPy的电循环稳定性(参见图2)。

图2. p(HEMA)-rhGO/pPy (HrhGP) 冷冻水凝胶表征图。A. HrhGP0.5 扫描电镜图。左侧为低倍放大图像(比例尺:20µm), 右侧为高倍放大图像(比例尺:500nm)。B.在10mm /min的速率下,以80%的形变率循环压缩HrhGP0.5 100次。C. 不同冷冻水凝胶杨氏模量图。D. 不同冷冻水凝胶电导率图。E. 通过1000次伏安循环检测电容保留率。

将此水凝胶与内皮细胞、心肌细胞一起构建充分血管化的导电弹性心肌补片(fully vascularized HrhGP ECP,v-HrhGP ECP)。我们证实v-HrhGP内的工程化血管血液相容性良好,并且v-HrhGP在动态培养条件下血管出芽密度、长度、直径随时间增加。此外,v-HrhGP ECP相比于其他组别表现出最佳的心肌细胞功能化和同步收缩,钙瞬变可观察到高频的、步调一致的Ca2+流信号,并且瞬时Ca2+传播速度最快、频率最高(参见图3)。

图3. 体外表征。A. FITC溶液灌注HrhGP中的三维血管管道。B. v-HrhGP0.5动态培养7天后的z轴层扫拼接图像。比例尺:500μm。C. v- HrhGP0.5 ECP动态培养7天后, CMs心脏特异性蛋白的表达情况,包括α-肌动蛋白(绿色)和缝隙连接蛋白CX-43 (红色)。比例尺:10μm。D. v- HrhGP0.5 ECP动态培养7天后, CMs的钙瞬变(左)和相应的频率信号(右)图。标尺:100μm。E. 在动态培养第4、7天,对ev-HrhGP0.5和v-HrhGP0.5中EV的出芽密度(D)、出芽长度(E)和出芽直径(F)进行了定量分析。F. 根据免疫荧光图像统计分析不同组CMs的α-肌动蛋白和缝隙连接蛋白CX-43面积百分比。G. 根据钙瞬变动态视频,分别计算不同组每3秒Ca2+瞬态传播峰(F/F0峰)数量和Ca2+瞬态传播达到峰值所需的时间。

将不同ECPs移植入大鼠体内研究其对梗死心肌的修复作用。结果表明:v-HrhGP ECP体内移植4周后,发现其能够通过与梗死心脏形成大量的血管吻合,并能够重建梗死区电传导从而发挥有效的心梗修复作用。与MI组相比,v-HrhGP ECP组梗死面积减少约32%,∆FS%(心功能指标)增加约18%。RNA转录组测序结果进一步显示其有效的心梗修复作用可能与心肌细胞成熟和功能化相关的通路激活有关(参见图4)。

图4. ECPs体内移植修复心肌损伤。A. 图示宿主血管与v-HrhGP0.5 ECP之间血管吻合的检测方法(DiI-RAECs,红色),使用FITC溶液(绿色)从上腔静脉注射。B.DiI标记的RAECs(红色)和FITC溶液(绿色)在不同ECPs的多光子激光显微镜图。分别将FITC溶液(绿色)注入HrhGP0.5 ECP组(左)和v-HrhGP0.5 ECP组(右)宿主心脏上腔静脉,而标记DiI(红色)的 RAECs预先种植入v-HrhGP0.5 ECP通道。红色信号与绿色信号的共定位显示为黄色。比例尺,100mm。C. 补片移植4周后,使用64通道电标测系统对研究组进行心脏电传导评估。D. ECPs移植4周后,不同组大鼠左心室代表性超声心动图。E. 统计分析不同组移植4周内FS、EF、LVIDs、LVIDd的变化。

综上所述,该项研究工作提出的具有导电性、弹性和充分血管化的新型功能性ECP,是一个有前途的心梗修复候选材料,本研究对导电弹性心肌补片的进一步发展和应用均具有较大的推动作用。

A vascularized conductive elastic patch for the repair of infarcted myocardium through functional vascular anastomoses and electrical integration

Weirong Xiong, Xiaoxian Wang, Haien Guan, Fanxuan Kong, Zhaoming Xiao, Yihan Jing, Liu Cai, Honghao Hou, Xiaozhong Qiu*, Leyu Wang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202111273

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202111273