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本文利用海洋污物生物海鞘的被囊制備了動(dòng)物纖維素水凝膠，該水凝膠具有與天然心肌組織類似的導(dǎo)電性和良好的力學(xué)性能?；谠撍z制備的心肌補(bǔ)片能夠促進(jìn)心肌細(xì)胞成熟和形成自發(fā)收縮的功能，體內(nèi)移植后，該補(bǔ)片能提高梗死心肌的心功能。這種變廢為寶的策略既能解決海洋生物污染，又能為組織工程支架材料提供再生資源。

01研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介

近年來(lái)，隨著海產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的迅猛發(fā)展，養(yǎng)殖中出現(xiàn)的生物污染問(wèn)題也日益突出。例如，在扇貝的大規(guī)模養(yǎng)殖過(guò)程中，常常受到海鞘等生物入侵的威脅。海鞘會(huì)黏附在扇貝及其養(yǎng)殖設(shè)備上進(jìn)行大量的擴(kuò)增，當(dāng)海鞘等生物數(shù)量過(guò)多時(shí)，會(huì)與扇貝爭(zhēng)奪養(yǎng)分與空間，并迅速侵占面積，取代本地物種，成為制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和海洋生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要問(wèn)題之一。且因大多數(shù)的海鞘沒(méi)有食用價(jià)值，經(jīng)常被養(yǎng)殖場(chǎng)當(dāng)作廢物丟棄。但是海鞘的被囊擁有豐富的纖維素成分，且該來(lái)源是目前已知的唯一的動(dòng)物纖維素來(lái)源。隨著近些年來(lái)不可再生資源的日益減少，纖維素等可再生的替代資源逐漸受到極大的關(guān)注，如何開(kāi)發(fā)這些海鞘等污物的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)廢物利用，對(duì)于可持續(xù)發(fā)展來(lái)說(shuō)是一件極其有意義的行為。

心血管疾病是一直導(dǎo)致全球人口死亡的主要原因，其中心肌梗死(MI)造成的死亡占了很大比例。但常規(guī)的治療手段不能有效的改善心梗后瘢痕的形成，而心肌組織工程是近些年新興的，一種具有極大應(yīng)用前景的心梗治療策略。它主要通過(guò)制備功能性仿生支架模擬天然心肌的細(xì)胞外基質(zhì)，為梗死區(qū)域提供一定機(jī)械支持，修復(fù)心梗區(qū)與非心梗區(qū)的電活動(dòng)，促進(jìn)梗死區(qū)的血管再生，恢復(fù)心梗區(qū)的血供，以保護(hù)并提高心梗后的心功能。心肌的組織的微環(huán)境的十分復(fù)雜，對(duì)組織工程的支架材料的設(shè)計(jì)與性能都有很高的要求：1）心肌組織是一種可興奮組織，需要良好的導(dǎo)電微環(huán)境為其提供電信號(hào)的傳導(dǎo)；2）心肌組織優(yōu)異的收縮舒張能力，使心臟擁有強(qiáng)大的泵血功能，所以支架材料需要有良好的彈性以適宜心臟的力學(xué)變化；3）眾所周知，心肌組織的排列是具有一定方向性的，所以需要支架材料具有一定的方向性，能引導(dǎo)心肌細(xì)胞的定向排列。但是，以往報(bào)道的支架材料很少能同時(shí)滿足以上條件，因此，一種與天然心肌組織相似的具有良好導(dǎo)電性、彈性、有序性及生物相容性的仿生支架材料是迫切需要并有待開(kāi)發(fā)的。

為了解決海產(chǎn)養(yǎng)殖的生物污染問(wèn)題以及制備可用于心肌修復(fù)的仿生支架材料，我們以海洋養(yǎng)殖廢棄物為原料，對(duì)海鞘的被囊進(jìn)行了升級(jí)處理，獲得了天然纖維素水凝膠作為心肌修復(fù)的補(bǔ)片支架。海鞘被囊通過(guò)簡(jiǎn)單處理，無(wú)需化學(xué)或物理交聯(lián)，就能獲得具有良好導(dǎo)電性、彈性以及有序性的天然纖維素水凝膠，而且因?yàn)樵撍z完全由動(dòng)物纖維素構(gòu)成，具有優(yōu)異的生物相容性。研究證實(shí)該水凝膠在體外能促進(jìn)外源性心肌細(xì)胞的成熟與功能性蛋白的表達(dá)，構(gòu)建的心肌補(bǔ)片能實(shí)現(xiàn)同步性的收縮。移植到體內(nèi)能促進(jìn)梗死區(qū)血管的形成，移植纖維化的形成，顯著提升梗死大鼠的心功能。本研究首次用海洋污物生物海鞘構(gòu)建了具有天然導(dǎo)電性，彈性，有序性的純動(dòng)物纖維素水凝膠，并檢驗(yàn)了該支架對(duì)心肌梗死修復(fù)的作用，初步證明了在組織工程中應(yīng)用的可能性。這種變廢為寶的策略為解決海洋生物污染與組織工程支架材料來(lái)源提供了思路。

Fig. 1. The sea squirts-derived cardiac patch for myocardial infarction from waste of marine culture. The sea squirts, the waste of marine culture, could form the conductivity and well-aligned hydrogel after treating with acid and alike and significantly enhance the cardiac function of myocardial infarction rats.

Fig. 2. The preparation of tunic cellulose hydrogel. (a) The preparation procedure of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel. (b) The elemental analysis of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel. (c) XRD analysis for pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel. (d) FTIR spectra of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel. TGA (e) and DTG (f) curves of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，海鞘被囊作為原料構(gòu)建的tunic hydrogel主要是由纖維素組成，具有良好的熱穩(wěn)定性 (Fig.2)。

Fig. 3. The morphological, conductivity and mechanical characteristics of the scaffold. The SEM images of pristine tunic (a1), tunic hydrogel (a2) and PTC hydrogel (a3), scale bars: 200 nm. The inset are corresponding photos of contact angle on the surface of samples. (a4) The uptake water analysis of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel n=4. (b1-3) Surface morphology and (b4) corresponding surface roughness Rq of pristine tunic (b1), tunic hydrogel (b2) and PTC hydrogel (b3) revealed by AFM test. The current distribution of pristine tunic (c1), tunic hydrogel (c2) and PTC hydrogel (c3) revealed by e-AFM test, n=4. (c4) Statistical analysis of conductivity in pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel n=4. (d) The stress-strain curves of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel. (e) The Young’s modulus of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel n=3. (f) The degradation ratio of pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel in physiological environment n=4. All data are presented as mean ± SD. *P<0.05, **P<0.01.

該天然纖維素水凝膠具有良好的方向齊性，能夠引導(dǎo)心肌細(xì)胞方向性排列。天然纖維素水凝膠（tunic hydrogel）在不負(fù)載導(dǎo)電納米顆粒時(shí)就擁有與天然心肌組織類似導(dǎo)電性與彈性，且降解速度慢，具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，可為梗死心肌提供長(zhǎng)期的力學(xué)支撐 (Fig.3) 。

Fig. 4. The morphological and functional characteristics of cardiomyocytes in scaffolds. (a) The morphology and maturation analysis of CMs in different scaffolds at day 7 of culture. The SEM of CMs seeded on pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel, scale bars: 50 µm. The F-actin stained of cytoskeleton of CMs on pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel. Expression of cardiac-specific proteins of α-actinin (green) and CX-43 (red) in the CMs on pristine tunic, tunic hydrogel and PTC hydrogel. Scale bars: 20 µm. (b) Western blotting detection for the expressions of α-actinin protein and CX-43 protein in CMs in different scaffolds at day 7 of culture. (c-d) The quantitative proteins expression of CX-43 (c) and α-actinin (d) in CMs in different scaffolds based on western blotting detection, n=4. (e-g) Calcium transient of CMs on different scaffolds at day 7 of culture. (h) The beating behavior of the cardiomyocytes in the different scaffolds showed that more uniform contraction behavior.

在體外，該天然導(dǎo)電支架（tunic hydrogel）與負(fù)載了聚吡咯導(dǎo)電離子的高導(dǎo)電支架材料（PTC hydrogel）都能促進(jìn)外源性心肌細(xì)胞成熟、功能化以及定向排列，但tunic hydrogel形成的心肌補(bǔ)片比PTC hydrogel心肌補(bǔ)片具有更好節(jié)律性搏動(dòng) (Fig. 4)。

Fig. 5. Repair effect of patch in myocardial infarction rats. (a) The echocardiographic images of pretransplant (above) and posttransplant (bottom) in the sham group (control group), the MI group, tunic hydrogel and PTC hydrogel group. (b-e) Representative parameters of left ventricular function based on echocardiography of different groups after 4 weeks of implantation. (f) Masson’s staining displayed the fibrous tissue (blue) and myocardium (red) of sections of hearts from animals in different groups. Scale bars: 1 mm. Statistical analysis of infarct size and infarct wall thickness of the infarcted heart in different group (bottom), n=3. (g) vWF immunostaining (red) and α-SMA immunostaining (green) within infarcted area in different groups, n=4. Scale bars: 50 µm. The different microvessel densities within infarcted region in different groups based on vWF/α-SMA immunostaining staining. All data are presented as mean ± SD. *P<0.05, **P<0.01.

在體內(nèi)，該天然導(dǎo)電支架即使不負(fù)載聚吡咯導(dǎo)電離子（tunic hydrogel）也能達(dá)到與高導(dǎo)電支架材料（PTC hydrogel）類似的修復(fù)效果，且都能夠?yàn)楣Ｋ绤^(qū)域提供一定的力學(xué)支撐，并促進(jìn)梗死區(qū)血管的形成，抑制梗死區(qū)纖維化，增強(qiáng)心梗后的心功能。證實(shí)了從海鞘獲得的天然動(dòng)物纖維素支架在不進(jìn)行導(dǎo)電修飾就可擁有良好的修復(fù)效果 (Fig. 5)。

02論文第一/通訊作者簡(jiǎn)介

共同第一作者：何玉童

博士、南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，研究方向?yàn)樘烊簧锊牧显谛募〗M織工程中應(yīng)用。

共同第一作者：侯鴻浩

南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榉律锊牧吓c界面組織工程。

共同第一作者：王樹(shù)啟

汕頭大學(xué)海洋生物研究所副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轸~(yú)類生理與分子生物學(xué)。

通訊作者：邱小忠

博士、南方醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要從事生物材料、細(xì)胞與材料的相互作用、組織再生等方面的研究工作，在Advanced Functional Materials, ACS Nano, Biomaterials, Theranostics, Applied Materials Today等期刊發(fā)表論文30余篇，主持國(guó)家級(jí)及省部級(jí)項(xiàng)目13項(xiàng)。

03資助信息

上述研究工作得到了中國(guó)自然科學(xué)基金（32071363, 52003113, U1601221）廣州再生醫(yī)學(xué)與健康廣東省實(shí)驗(yàn)室(2018GZR110104002)、廣州市科技項(xiàng)目(201804020035)及廣東省科技廳項(xiàng)目(2016B090913004)支持。

04原文信息

Yutong  Hea,1, Honghao Houa,1, Shuqi Wangb,1, Rurong Lina, Leyu Wangc, Lei Yua, Xiaozhong Qiua