文獻(xiàn)解讀|一種可灌注的多功能心外膜裝置，可改善心臟功能及促進(jìn)組織修復(fù)

文獻(xiàn)背景

心力衰竭（HF）是心血管疾病的終末階段，其在世界范圍內(nèi)造成了大量的致殘率和死亡率。盡管采取了多種治療策略，包括藥物治療、左心室輔助裝置、人工心臟以及心臟移植等，心肌梗死（MI）后心力衰竭的進(jìn)展仍具有非常強(qiáng)的不可逆性。心臟修復(fù)是一種對(duì)缺血性心肌細(xì)胞壞死的保護(hù)性反應(yīng)，包括左心室重構(gòu)、血管重建和傷口愈合等。因此，對(duì)修復(fù)過程的治療性調(diào)節(jié)或許有望預(yù)防心力衰竭并改善患者的預(yù)后。心臟補(bǔ)片，包括載有細(xì)胞的型補(bǔ)片和無細(xì)胞的型補(bǔ)片，已被證實(shí)能夠改善心臟修復(fù)過程中的不良左心室重構(gòu)。盡管載有細(xì)胞的補(bǔ)片取得了進(jìn)展，但細(xì)胞種子的低保留率和植入率一直是一個(gè)主要問題。相比之下，無細(xì)胞補(bǔ)片易于定制、實(shí)用且在臨床轉(zhuǎn)化方面前景廣闊。迄今為止，關(guān)于無細(xì)胞心臟補(bǔ)片的研究分別側(cè)重于優(yōu)化機(jī)械性能以抑制梗死心肌，或優(yōu)化微結(jié)構(gòu)，例如孔隙、微通道或納米纖維，以促進(jìn)血管再生。然而，同時(shí)具備仿生機(jī)械性能和促血管生成特性的多功能心臟補(bǔ)片的制造仍然具有挑戰(zhàn)性。此外，局部藥物輸送作為一種有益的策略，用于增強(qiáng)療效并以低劑量減少全身毒性副作用，也受到了關(guān)注。已報(bào)道的水凝膠、納米顆粒和載藥支架可以維持治療試劑的釋放，以促進(jìn)心臟修復(fù)。然而，這些構(gòu)建體的療效和穩(wěn)定性仍需提高。

為了克服上述障礙，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院的葉曉峰、趙強(qiáng)團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的游正偉團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種可滲透、多功能的心外膜裝置，稱為PerMed，它是通過生物彈性體（BEP）、微血管化材料（PHMs）和輸送系統(tǒng)組裝而成的。PerMed建立了一個(gè)協(xié)同的機(jī)械和生物環(huán)境，能夠有效降低壁應(yīng)力和心肌細(xì)胞凋亡，改善左心室應(yīng)變，并促進(jìn)血管重建和心臟代謝。由于其良好的機(jī)械性能和彈性，PerMed具有適合微創(chuàng)手術(shù)植入的結(jié)構(gòu)，該研究團(tuán)隊(duì)還為PerMed設(shè)計(jì)了一種匹配的爪形固定器，使其能夠在大型動(dòng)物（豬）模型的心外膜表面輕松且牢固地固定，其在臨床應(yīng)用中具有治療心臟病的潛力。

題目：A perfusable, multifunctional epicardial device improves cardiac function and tissue repair

期刊：Nature medicine

影響因子：50

PMID：33723455

DOI:10.1038/s41591-021-01279-9

通訊作者：葉曉峰，游正偉，趙強(qiáng)

作者單位：上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，東華大學(xué)

索萊寶合作產(chǎn)品：

產(chǎn)品名稱：

ATP含量檢測(cè)試劑盒

產(chǎn)品貨號(hào)：

BC0304

摘要

盡管在心肌梗死（MI）后的心臟修復(fù)技術(shù)方面取得了進(jìn)展，但仍需要開發(fā)新的綜合治療方法。這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一種可灌注、多功能的心外膜裝置（PerMed），該裝置由一種可生物降解的彈性貼片（BEP）、可滲透的分級(jí)微通道網(wǎng)絡(luò)（PHMs）以及一個(gè)能夠通過皮下植入泵輸送治療劑的系統(tǒng)組成。其具有彈性良好、促血管再生、改善局部微循環(huán)、精準(zhǔn)持續(xù)藥物遞送、生物可降解性以及生物相容性良好的特點(diǎn)。在植入心外膜后，BEP用于為心室重塑提供機(jī)械刺激，而PHMs用于促進(jìn)血管生成并允許修復(fù)細(xì)胞的浸潤。在心肌梗死的大鼠模型中，PerMed的植入改善了心室功能。當(dāng)與泵連接時(shí)，PerMed能夠?qū)崿F(xiàn)血小板衍生生長因子-BB的定向、持續(xù)和穩(wěn)定釋放，與沒有泵的裝置相比，增強(qiáng)了心臟修復(fù)的效果。此外該團(tuán)隊(duì)還證明了在豬身上進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)植入PerMed的可行性，展示了其在臨床轉(zhuǎn)化治療心臟病方面的潛力。

研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

1裝置設(shè)計(jì)與材料表征

PerMed是一種創(chuàng)新的多功能心外膜設(shè)備，由三大核心組件構(gòu)成：生物可降解彈性貼片（BEP）、滲透性分層微通道網(wǎng)絡(luò)（PHMs）和藥物輸送系統(tǒng)（圖1a-b）。該設(shè)備通過協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)心肌修復(fù)的多重功效。

在材料特性方面，PGS/PCL（9:1）BEP表面均勻光滑（圖1c），而PCL比例增加（如8:2、7:3）會(huì)導(dǎo)致相分離；PCL/明膠（3:1）PHMs具有多層互聯(lián)分支網(wǎng)絡(luò)，通道壁分布均勻微孔（5μm）（圖1d），而明膠比例增加（1:1）會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塌陷。在機(jī)械性能方面，PGS/PCL（9:1）BEP拉伸模量（1.61±0.26MPa）介于純PGS（0.8MPa）和PCL（12MPa）之間，匹配心肌組織力學(xué)需求，在40%應(yīng)變下循環(huán)拉伸/壓縮10次后，滯后率<10%，表明優(yōu)異彈性恢復(fù)能力（圖1f-g）；PCL/明膠（3:1）PHMs壓縮模量（12.75±1.73kPa）適合動(dòng)態(tài)心臟變形（圖1h），40%應(yīng)變循環(huán)壓縮后結(jié)構(gòu)無塌陷，維持管狀通道（圖1i）。在生物降解性與生物相容性方面，PGS/PCL（9:1）在皮下84天降解77.3%，降解速率介于快速降解的PGS（>90%）與緩慢降解的PCL（<20%）之間，其表面心肌細(xì)胞（NRCMs）和ADSCs黏附良好，細(xì)胞活性與純PGS或PCL無差異；PCL/明膠（3:1）在體內(nèi)28天保持結(jié)構(gòu)完整，微孔率無顯著下降，支持心臟成纖維細(xì)胞（CFs）和脂肪干細(xì)胞（ADSCs）高存活率（>90%），并形成3D細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)（圖1j-k）。

PGS/PCL（9:1）的平衡力學(xué)性能（彈性模量≈心?。┡c降解速率，成為理想機(jī)械支撐材料。PCL/明膠（3:1）以仿生微通道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異親水性，促進(jìn)細(xì)胞浸潤與血管再生。兩者均支持細(xì)胞高活性，且未引發(fā)顯著免疫排斥，滿足長期植入需求。BEPs核心功能為力學(xué)支撐（抑制擴(kuò)張、改善收縮），PHMs核心功能為血管再生與細(xì)胞浸潤，但是，兩者的獨(dú)立作用均存在局限，需聯(lián)合以實(shí)現(xiàn)全面修復(fù)。

圖1：PerMed設(shè)備的設(shè)計(jì)與表征。

2 心臟功能與結(jié)構(gòu)的改善

PerMed裝置改善了心功能恢復(fù)，限制了不良左室重構(gòu)。大鼠心肌梗死（MI）模型分為5組：假手術(shù)組、MI組、PerMed(PCL)、PerMed(PGS)、PerMed(PGS/PCL)（圖2a），評(píng)估28天內(nèi)心功能（超聲、cMRI、PET）和組織修復(fù)（Masson染色）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PerMed(PGS/PCL)組生存率顯著高于MI組（P<0.05）（圖2b）。MI組的LVEF（左心室射血分?jǐn)?shù)）和LVFS（左心室縮短分?jǐn)?shù)）顯著下降，而PerMed(PGS/PCL)組的LVEF和LVFS適度上升（圖2c-d），心功能提高；心臟磁共振成像（cMRI）顯示，PerMed(PGS/PCL)組的心室擴(kuò)張（LVEDD、LVEDV）和纖維化面積顯著減少，心肌壁厚度增加（圖2e-g），重塑心室；PET顯示PerMed(PGS/PCL)組的心肌存活率（SUV值）max，梗死面積最小(圖2h-i)，心肌代謝提高。接下來評(píng)估了PerMed對(duì)左心室重構(gòu)的影響。首先，正電子發(fā)射斷層掃描（PET）結(jié)果顯示，PerMed (PGS/PCL)組的總梗死面積小于其他組（圖2j），其次，馬松三色染色顯示，PerMed (PGS/PCL)組的纖維化組織面積減少（圖2k，l），左心室壁厚度增加（圖2k-m）；最后，PerMed (PGS/PCL)組位于邊界帶（BZ）和遠(yuǎn)隔區(qū)（RZ）的心肌細(xì)胞橫截面積顯著低于其他組（圖2n-o）。因此，PerMed，尤其是PerMed (PGS/PCL)，似乎能夠改善心臟功能并限制不良的左心室重構(gòu)。

圖2：PerMed裝置改善了心肌梗死大鼠模型的心功能恢復(fù)，限制了不良左室重構(gòu)。

3 力學(xué)機(jī)制與細(xì)胞外基質(zhì)重塑

PerMed通過改善心肌力學(xué)性能和促進(jìn)組織修復(fù)雙重機(jī)制顯著增強(qiáng)心臟功能。區(qū)域應(yīng)變分析顯示，PerMed (PGS/PCL)組在第28天表現(xiàn)出更好的左心室徑向應(yīng)變（LVErr）和周向應(yīng)變（LVEcc）恢復(fù)（圖3a-d），對(duì)左心室收縮末期壁增厚（LVWT）的區(qū)域分析也得出了相似的結(jié)果（圖3e）。同時(shí)使梗死區(qū)（IZ）和邊緣區(qū)（BZ）的壁應(yīng)力顯著降低（圖3f-g）。這種力學(xué)改善伴隨著活躍的組織修復(fù)過程，免疫熒光顯示肌成纖維細(xì)胞在PHMs通道和梗死區(qū)大量浸潤（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7a-c），同時(shí)M2型巨噬細(xì)胞在植入后第14-28天顯著增加（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8d-e），形成促再生微環(huán)境。更重要的是，PerMed (PGS/PCL)誘導(dǎo)了有利的膠原重塑，使膠原III/I比值在設(shè)備界面（圖3i）、梗死區(qū)（圖3j）和邊緣區(qū)（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖9f）均顯著提高。這些結(jié)果表明PerMed通過協(xié)同優(yōu)化心肌力學(xué)環(huán)境和促進(jìn)修復(fù)細(xì)胞介導(dǎo)的組織重塑，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心肌梗死的多維度治療。

圖3：PerMed植入術(shù)后管壁應(yīng)力、徑向和周向應(yīng)變及膠原亞型的區(qū)域評(píng)價(jià)。

4 血管生成與細(xì)胞保護(hù)效應(yīng)

PerMed (PGS/PCL)展現(xiàn)出顯著的促血管生成和代謝改善作用。通過isB4染色和CD31/α-SMA免疫熒光證實(shí)，該設(shè)備不僅促進(jìn)毛細(xì)血管再生（圖4a-b），還顯著增加BZ區(qū)和PHMs內(nèi)的動(dòng)脈密度（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10-11）。18F-FDGPET成像顯示PerMed (PGS/PCL)組心肌細(xì)胞代謝活性顯著提升（圖4c-d），同時(shí)線粒體形態(tài)和功能明顯改善，線粒體呈現(xiàn)規(guī)則棒狀排列（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖12a）PerMed (PGS/PCL)組的線粒體密度和分割率（%）低于其他PerMed組（圖4e和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖12c），ATP生成增加（圖4f），線粒體生物發(fā)生相關(guān)基因（Ppargc1a、Pink1和Opa1）表達(dá)上調(diào)（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖13）。此外，TUNEL檢測(cè)表明PerMed (PGS/PCL)能有效抑制BZ區(qū)心肌細(xì)胞凋亡（圖4g）。這些結(jié)果證實(shí)PerMed (PGS/PCL)通過協(xié)同促進(jìn)血管新生、改善能量代謝和抑制細(xì)胞凋亡等多重機(jī)制，改善了梗死心肌的微環(huán)境。

圖4：PerMed (PGS/PCL)裝置改善血管生成和心臟代謝，減少心肌細(xì)胞凋亡。

5 藥物控釋系統(tǒng)性能

PerMed展現(xiàn)出非常優(yōu)秀的的物質(zhì)遞送性能。其微通道網(wǎng)絡(luò)（PHMs）可實(shí)現(xiàn)治療劑的均勻灌注，體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)亞甲藍(lán)和造影劑能有效擴(kuò)散（圖5b，擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖14a）。微CT顯示植入后28天內(nèi)PHMs孔隙率保持穩(wěn)定（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖7c），且纖維化未顯著影響物質(zhì)擴(kuò)散，AAV9-GFP在心肌細(xì)胞和肌成纖維細(xì)胞中成功表達(dá)（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖8），18F-FDGPET-CT證實(shí)小分子藥物可有效從PerMed向心肌組織轉(zhuǎn)運(yùn)（圖5c-d）。更重要的是，連接滲透泵的PerMed能維持Cy7-BSA持續(xù)釋放28天（圖5e-f），而手動(dòng)灌注組4天內(nèi)即失效。此外，設(shè)置了無泵組、PBS組和血小板衍生生長因子-BB（PDGF-BB）組三個(gè)組別，并從心臟功能和心臟代謝方面對(duì)它們進(jìn)行了比較，檢驗(yàn)PerMed通過持續(xù)釋放血小板衍生生長因子-BB來增強(qiáng)心臟修復(fù)的效果（圖5g）。功能驗(yàn)證表明，持續(xù)釋放PDGF-BB顯著增強(qiáng)治療效果，cMRI顯示PDGF-BB組LVEF提高（圖5h），分析左心室舒張末期容積（LVEDV）和左心室收縮末期容積（LVESV）的結(jié)果相似（圖5i）PET證實(shí)心肌代謝活性增強(qiáng)（圖5j），組織學(xué)分析顯示NG2⁺周細(xì)胞包裹的新生血管數(shù)量增加60%（圖5k-m），血管成熟度顯著改善。這些結(jié)果證明PerMed通過優(yōu)化的物質(zhì)擴(kuò)散特性和可控釋放系統(tǒng)，為心臟修復(fù)提供了高效的遞送平臺(tái)。

圖5：PerMed用于治療試劑緩釋的靶向遞送系統(tǒng)的性能。

6 大型動(dòng)物植入可行性

PerMed在大型動(dòng)物模型中展現(xiàn)了優(yōu)異的臨床轉(zhuǎn)化潛力。通過設(shè)計(jì)的爪形固定器（由中心環(huán)和多臂鉤針組成（圖6a和擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10a-b），直徑3cm、厚2mm的彈性PerMed裝置可在胸腔鏡引導(dǎo)下經(jīng)微創(chuàng)切口植入（圖6b-c），無需縫合即牢固錨定于左心表面（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10c-f）。植入過程視頻記錄顯示（補(bǔ)充影片6），裝置能充分貼合跳動(dòng)的心臟形態(tài)（擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖10f），驗(yàn)證了其優(yōu)異的組織適應(yīng)性和手術(shù)可行性。驗(yàn)證了PerMed在大型動(dòng)物中的可行性和微創(chuàng)植入潛力，為臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

圖6：一種*PerMed裝置在豬體內(nèi)的微創(chuàng)手術(shù)植入。

結(jié)論

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)聚焦于心肌修復(fù)領(lǐng)域的關(guān)鍵難題，成功研發(fā)出PerMed心外膜修復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)代表了當(dāng)前心肌修復(fù)技術(shù)的重要突破，其創(chuàng)新性地整合了三大核心技術(shù)模塊：首先，采用仿生設(shè)計(jì)的BEP彈性補(bǔ)片具有與天然心肌組織相匹配的力學(xué)性能，能夠?yàn)槭軗p心臟提供精準(zhǔn)的力學(xué)支撐，有效抑制心室不良重構(gòu)；其次，創(chuàng)新的PHMs微血管網(wǎng)絡(luò)通過其獨(dú)特的分層多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅顯著促進(jìn)血管新生，更為各類修復(fù)細(xì)胞構(gòu)建了高效的遷移通道；最后，智能化的藥物輸送系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多種治療因子（包括藥物、基因和生長因子等）的持續(xù)穩(wěn)定釋放。這一系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于：采用微創(chuàng)植入技術(shù)顯著降低手術(shù)創(chuàng)傷，其專門設(shè)計(jì)的爪形固定器已在大型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了優(yōu)異的穩(wěn)定性和適配性；同時(shí)，裝置84天的持續(xù)治療效果驗(yàn)證了其長期有效性，而機(jī)械支撐與生物修復(fù)的雙重協(xié)同機(jī)制更確保了全面的治療效果。特別值得一提的是，PerMed系統(tǒng)展現(xiàn)出的良好生物相容性和可控降解特性，使其成為目前更具臨床轉(zhuǎn)化前景的心肌修復(fù)解決方案，該研究為心肌梗死后的綜合治療提供了新策略，也具有顯著的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

索萊寶產(chǎn)品亮點(diǎn)

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