背景介紹
心血管疾病（Cardiovascular diseases, CVD）是全球死亡和疾病負(fù)擔(dān)的主要病因。2020年12月9日，美國心臟病學(xué)會雜志（JACC）發(fā)表了一項(xiàng)研究《Global Burden of Cardiovascular Diseases and Risk Factors, 1990–2019: Update From the GBD 2019 Study》，其中2019全球疾病負(fù)擔(dān)研究（GBD）數(shù)據(jù)估計(jì)，2019年缺血性心臟病患病人數(shù)為1.97億。2019年有914萬患者死亡歸因于缺血性心臟病。
缺血性心臟病的主要病因是冠狀動脈粥樣硬化引起管腔狹窄或閉塞，導(dǎo)致冠狀動脈供血減少。由于長期的心肌缺血缺氧，引起心肌細(xì)胞減少、壞死，及心肌纖維化，引發(fā)缺血性心臟病。
目前的主要治療手段包括口服藥物治療以及手術(shù)治療，由于成人心肌細(xì)胞沒有自我更新能力，現(xiàn)有的治療手段只能暫時(shí)緩解癥狀，并不能使心臟組織恢復(fù)到患病前的活性。經(jīng)過前期研究人員的探索，證實(shí)干細(xì)胞可以替代壞死的心肌細(xì)胞從而恢復(fù)心肌的結(jié)構(gòu)和功能1。
但是干細(xì)胞的治療效果目前仍沒有被廣泛接受，主要原因是干細(xì)胞在心肌組織處的植入率低。以往用于心血管研究的干細(xì)胞遞送主要依賴于簡單的注射遞送系統(tǒng)，但心肌梗死區(qū)域的細(xì)胞外結(jié)構(gòu)消失，無法為干細(xì)胞提供適宜的生長環(huán)境，因此僅顯示出5~10%的初始保留率。
許多天然和合成來源的生物材料已通過各種制造技術(shù)用于制造工程心臟補(bǔ)片。其中，采用靜電紡絲技術(shù)制備的纖維支架被越來越多地用于功能性心臟組織。但是使用靜電紡絲的一個(gè)問題是納米纖維結(jié)構(gòu)雖然具有很高的生物活性，但卻會阻礙細(xì)胞遷移到支架上。
本研究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
基于干細(xì)胞的原位保留率不理想，以及納米顯微結(jié)構(gòu)阻礙細(xì)胞遷移，Jung Hee Wee等研究人員利用獨(dú)立多噴嘴專利靜電紡絲技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于膠原蛋白與聚(D, L -乳酸-共乙醇酸)PLGA組成的微米/納米雙模態(tài)心肌補(bǔ)片，并以此為基礎(chǔ)負(fù)載干細(xì)胞進(jìn)行心肌修復(fù)的研究。
1.心肌補(bǔ)片結(jié)構(gòu)及作用
微米級的PLGA纖維可以模擬3D細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）結(jié)構(gòu)，納米級的膠原纖維模擬ECM纖維的局部粘附結(jié)構(gòu)，起到協(xié)調(diào)組織發(fā)育和維持的細(xì)胞行為的作用。膠原蛋白溶液的濃度4,5,6wt%，在25kV功率和1.2mL/h流速下紡絲，可以避免膠原蛋白串珠纖維的形成。靜電紡纖維樣品的厚度為500±10μm。如下圖所示：Col/PLGA貼片的SEM圖像及其纖維直徑分布。所有樣品中PLGA纖維的直徑范圍為0.5和1.5μm，而膠原纖維的直徑范圍為50-250nm。
2.心肌補(bǔ)片的機(jī)械性能檢測
拉伸強(qiáng)度和伸長率均隨膠原含量的增加而降低，但差異不顯著；
3.干細(xì)胞接種
本實(shí)驗(yàn)采用兔子骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（BMSCs），心肌補(bǔ)片剪切成直徑為1.2cm，干細(xì)胞的接種密度為1*106/每個(gè)補(bǔ)片。在移植前，體外培養(yǎng)2天。使用GFP標(biāo)記干細(xì)胞進(jìn)行移植后的追蹤。通過在體外培養(yǎng)BMSCs發(fā)現(xiàn)在6%Col/PLGA濃度下，細(xì)胞的增值效果最好，后續(xù)試驗(yàn)在該濃度下進(jìn)行體內(nèi)實(shí)驗(yàn)；
4.動物實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)實(shí)驗(yàn)組
1、假手術(shù)組（Control）
2、心肌梗死組（MI）
3、心肌梗死組+補(bǔ)片治療（Patch）
與MI組 (1.28±0.22cm) 相比，Patch組的梗塞長度 (0.46±0.15cm) 顯著減少了約3倍（圖b）。Patch組 (0.51±0.12cm2)的LV壁厚度比MI組 (0.24±0.02cm2) 增加了大約2倍（圖c）。
5.BMSCs 保留能力
用近紅外光譜（NIR）納米粒子標(biāo)記細(xì)胞可以追蹤移植的BMSCs并監(jiān)測它們的遷移。移植開始時(shí)，在移植區(qū)發(fā)現(xiàn)了干細(xì)胞，之后，干細(xì)胞沿著冠狀動脈左前降支（LAD）遷移，最終注入到心臟的大部分心肌組織中。（如下圖所示）。
6.超聲心動圖表現(xiàn)
通過超聲心動圖計(jì)算的左心室縮短分?jǐn)?shù)和左心室射血分?jǐn)?shù)證實(shí)，與MI相比，移植帶有心臟補(bǔ)片的BMSCs顯著改善了心肌收縮力。用于MI模型建立的LAD的結(jié)扎顯著降低了心臟功能。然而，補(bǔ)片組使MI組的LVFS和LVEF分別增加了191%和 158%。特別是，與假手術(shù)組的左心室縮短分?jǐn)?shù)(51.3%) 和左心室射血分?jǐn)?shù) (86.1%)相比，補(bǔ)片治療組分別達(dá)到正常值的75%和95%。
7.心肌再生機(jī)制
通過實(shí)時(shí)PCR檢測BMSCs的旁分泌對宿主組織中RNA相關(guān)表達(dá)的影響。與對照組和MI組相比，在心臟補(bǔ)片治療組中發(fā)現(xiàn)VEGF和TGF-β的強(qiáng)表達(dá)。同時(shí)也導(dǎo)致vWF和SM22α上調(diào)，表明心臟貼片治療組出現(xiàn)心血管再生。心肌素和GATA-4的表達(dá)水平也顯著增高，從而增強(qiáng)心肌細(xì)胞的存活和維持心臟功能。
總結(jié)
本文作者設(shè)計(jì)了一種混合微米/納米模態(tài)的心肌組織補(bǔ)片，克服了原有心肌補(bǔ)片的缺點(diǎn)，可以長期將干細(xì)胞保留在宿主部位，并促使干細(xì)胞表達(dá)和分化，進(jìn)而改善心臟功能。
參考文獻(xiàn)：
[1] Wee JH, Yoo KD, Sim SB, Kim HJ, Kim HJ, Park KN, Kim GH, Moon MH, You SJ, Ha MY, Yang DH, Chun HJ, Ko JH, Kim CH. Stem cell laden nano and micro collagen/PLGA bimodal fibrous patches for myocardial regeneration. Biomater Res. 2022 Dec 13;26(1):79.
京公網(wǎng)安備11010802046783號
