水凝膠在心臟生物起搏和傳導(dǎo)研究中的應(yīng)用進(jìn)展*

張 喜

（海軍軍醫(yī)大學(xué)人體解剖學(xué)教研室，上海 200433）

多年來(lái)利用干細(xì)胞、基因及生物材料進(jìn)行心臟再生一直是研究的熱點(diǎn)。自20年前第1例組織工程心肌構(gòu)建成功[1]，到近來(lái)具有腔室的心臟類器官（迷你心臟）培育問(wèn)世[2]，期間取得的巨大進(jìn)展備受矚目。其中，生物起搏和傳導(dǎo)作為心臟再生醫(yī)學(xué)的一個(gè)分支，近年來(lái)的研究尤為活躍。所謂生物起搏和傳導(dǎo)，是指利用生物學(xué)相關(guān)技術(shù)手段對(duì)受損心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行的修復(fù)和替代，以此恢復(fù)正常的起搏或傳導(dǎo)功能。對(duì)比于目前臨床上主要使用的電子起搏，生物起搏和傳導(dǎo)具有不受電磁干擾、可神經(jīng)體液調(diào)節(jié)、無(wú)電池壽命限制及可隨機(jī)體一起發(fā)育的潛能和優(yōu)勢(shì)。在該領(lǐng)域研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的工作，采用了導(dǎo)入起搏基因和細(xì)胞至心臟、重編程原位心肌及組織工程移植等策略探討理想解決方案，在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中效果均得到了驗(yàn)證[3-4]。

在上述研究中，生物可降解材料得到了廣泛和關(guān)鍵的應(yīng)用，帶動(dòng)并推進(jìn)了生物起搏和傳導(dǎo)應(yīng)用的研發(fā)。近期美國(guó)西北大學(xué)報(bào)道了最新研發(fā)的輕薄柔軟、無(wú)導(dǎo)線、可降解、可吸收的臨時(shí)起搏器，其所有組成部件均為無(wú)害的生物相容性材料，除了能規(guī)避傳統(tǒng)電子起搏器一般缺陷外，尚能在使用完畢后無(wú)需手術(shù)取出，性能優(yōu)勢(shì)明顯[5]。

總的來(lái)看，在心臟起搏和傳導(dǎo)研究中，應(yīng)用的生物可降解材料主要包括合成高分子材料、膠原海綿、水凝膠等。其中，水凝膠是應(yīng)用最廣泛和深入的，除了傳統(tǒng)的藥物載體、細(xì)胞載體及組織修復(fù)應(yīng)用，還有其他的創(chuàng)新應(yīng)用形式（表1）。近年來(lái)，圍繞水凝膠開(kāi)展的生物起搏傳導(dǎo)研究工作進(jìn)展迅速，現(xiàn)綜述如下。

1 水凝膠的一般特性和分類

水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水物質(zhì)，在水中能保持一定形狀但不被水溶解，具有較強(qiáng)的吸水性、保水性及凝膠穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)外界刺激的響應(yīng)情況，水凝膠可分為傳統(tǒng)水凝膠和環(huán)境敏感水凝膠，根據(jù)性質(zhì)又可分為中性水凝膠和離子型水凝膠。此外，還可根據(jù)構(gòu)成來(lái)源分為天然水凝膠和合成水凝膠。天然水凝膠由天然來(lái)源的親水性高分子構(gòu)成，如纖維素、海藻酸、透明質(zhì)酸、殼聚糖、膠原、聚L-賴氨酸等；合成水凝膠由合成的親水高分子構(gòu)成，如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇等[6]。在心臟再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，較常應(yīng)用的水凝膠主要包括藻酸鹽凝膠、殼聚糖凝膠、細(xì)胞外基質(zhì)凝膠、自組裝多肽水凝膠和纖維蛋白膠等，作為載體、基質(zhì)及支架使用[7-9]。

表1 水凝膠在生物起搏傳導(dǎo)中的應(yīng)用

2 水凝膠在生物起搏研究中的應(yīng)用

水凝膠在生物起搏中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的自發(fā)活性，使其具有起搏特性；二是優(yōu)化電子起搏器心肌-電極界面，通過(guò)抗炎、抗纖維化、抗傳導(dǎo)阻滯作用提高起搏效率；三是作為起搏細(xì)胞的支架和載體，在構(gòu)建起搏組織中發(fā)揮作用。

2.1 水凝膠誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的自發(fā)活性

在生物起搏研究中，較早期的研究主要是通過(guò)轉(zhuǎn)染起搏基因、重編程等誘導(dǎo)心肌細(xì)胞產(chǎn)生自發(fā)活性[10]。而近期Hu等[11]的研究顯示，絲蛋白水凝膠亦能夠使大鼠心室肌細(xì)胞激活轉(zhuǎn)化為起搏細(xì)胞，是通過(guò)誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞鈣黏素糖蛋白的表達(dá)發(fā)揮這一作用。在體外，絲蛋白水凝膠誘導(dǎo)獲得的起搏細(xì)胞表現(xiàn)出竇房結(jié)細(xì)胞的功能和形態(tài)特征；在大鼠左心室內(nèi)，注射絲蛋白水凝膠產(chǎn)生的起搏細(xì)胞可作為竇房結(jié)功能性替代物。該研究的結(jié)果提示，使用合適表面結(jié)構(gòu)、力學(xué)和生化特性的生物材料，是生物心臟起搏器構(gòu)建推廣的較可行方案和重要方向。

2.2 水凝膠對(duì)心肌-電極界面的優(yōu)化作用

目前雖然不斷有起搏器低能耗及電池技術(shù)的改進(jìn)，卻仍然有較多患者由于電池壽命和續(xù)航問(wèn)題，需要重新進(jìn)行起搏器移植手術(shù)。其原因主要是起搏器電極易導(dǎo)致心肌組織的炎癥反應(yīng)，會(huì)對(duì)心肌造成損傷和纖維化，且隨著損傷和纖維化的加重，須輸出更強(qiáng)的電刺激才能維持起搏。因此，改善心肌組織與電極之間的接觸界面，就可降低起搏電壓閾值，從而提高起搏器工作效率，延長(zhǎng)電池壽命。為此，Zhao等[12]測(cè)試了一種名為 PAMB-G 水凝膠生物材料，通過(guò)離體心肌實(shí)驗(yàn)證實(shí)其能夠進(jìn)行高效電傳導(dǎo)，在傳導(dǎo)速度、場(chǎng)電位振幅等方面性能優(yōu)異。進(jìn)一步在Langendorff心臟和在體心臟實(shí)驗(yàn)中顯示，PAMB-G注射到心肌組織-起搏電極界面后，能夠保護(hù)心肌并改善心肌-電極界面，有效降低起搏電壓閾值，比單純電極以及使用明膠修飾界面更能有效維持起搏器的工作效率。

2.3 水凝膠在起搏組織構(gòu)建中的作用

水凝膠可作為起搏細(xì)胞的載體，注射入心臟中發(fā)揮作用；亦可作為起搏細(xì)胞的支架，在體外形成起搏細(xì)胞—支架復(fù)合體，進(jìn)一步培養(yǎng)成為起搏組織，從而移植入心臟構(gòu)建起搏器。Tao等[13]將新生鼠來(lái)源的心臟細(xì)胞種植到纖維蛋白凝膠上，在體外可形成一個(gè)自發(fā)收縮的心臟組織片構(gòu)建物。Zhang等[14]則利用Matrigel基質(zhì)膠與心臟祖細(xì)胞來(lái)源的起搏細(xì)胞復(fù)合，在體外培養(yǎng)形成起搏組織，并將其移植入動(dòng)物心室，證實(shí)在體內(nèi)可產(chǎn)生功能性的異位起搏點(diǎn)。上述研究中利用水凝膠構(gòu)建的起搏組織雖然具有自發(fā)電活性，但與宿主竇房結(jié)在功能結(jié)構(gòu)上仍差別較大，如起搏頻率、細(xì)胞類型及組織結(jié)構(gòu)等方面。

3 水凝膠在心臟生物傳導(dǎo)研究中的應(yīng)用

傳導(dǎo)阻滯是指心臟某一部位由于病損，其傳導(dǎo)沖動(dòng)發(fā)生的減慢或阻滯。如由于房室結(jié)或希氏束出現(xiàn)病損，在心房與心室之間會(huì)發(fā)生房室傳導(dǎo)阻滯；又如竇房結(jié)周圍組織出現(xiàn)病變，則在竇房結(jié)與心房之間可發(fā)生竇房傳導(dǎo)阻滯；以及心肌梗塞、心肌炎及藥物反應(yīng)等因素，則可能在心房或心室內(nèi)導(dǎo)致發(fā)生房?jī)?nèi)阻滯或室內(nèi)阻滯。上述阻滯疾病發(fā)生后，若程度嚴(yán)重，則需要電子起搏器治療。鑒于電子起搏存在的一些無(wú)法克服的缺陷，利用水凝膠開(kāi)展心臟生物傳導(dǎo)的研究進(jìn)展迅速，有望為患者帶來(lái)福音。目前水凝膠應(yīng)用于生物傳導(dǎo)的形式，主要是將導(dǎo)電介質(zhì)引入到水凝膠中制備成導(dǎo)電水凝膠，然后利用其導(dǎo)電性、降解吸收性、生物相容性及力學(xué)性能，直接注射或者負(fù)載功能性細(xì)胞后注射入心臟，以達(dá)到治療傳導(dǎo)阻滯的目的。

3.1 引入納米材料制成的水凝膠在心臟阻滯治療中的應(yīng)用

金屬納米材料和碳基納米材料具備良好的導(dǎo)電性能，將其結(jié)合入水凝膠中，能夠有效提高水凝膠的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，可應(yīng)用于心臟傳導(dǎo)阻滯治療。Zhou等[15]將氧化石墨烯納米顆粒引入水凝膠中，制備成名為OPF/GO的導(dǎo)電水凝膠，注射入心臟后，證實(shí)能夠通過(guò)Wnt信號(hào)通路上調(diào)相關(guān)縫隙連接蛋白的表達(dá)，改善正常心肌與疤痕心肌之間電傳導(dǎo)，對(duì)心梗后心功能的維持作用明顯。Zyl等[16]則利用納米纖維素碳納米管制成導(dǎo)電水凝膠，并在Langendorff離體心臟經(jīng)射頻消融產(chǎn)生心肌阻滯后注射，證實(shí)所制備水凝膠能夠恢復(fù)阻滯心肌的電傳導(dǎo)。

3.2 引入有機(jī)聚合物制成的導(dǎo)電水凝膠在心臟阻滯治療中的應(yīng)用

明膠是一種由膠原蛋白水解而成的聚合物，由于較好的生物相容性、可降解性及安全性，在心臟再生修復(fù)研究中應(yīng)用較多。但明膠水凝膠由于其力學(xué)性能較差，常需要通過(guò)共價(jià)交聯(lián)或納米復(fù)合等方式改性才能充分發(fā)揮其功效。Zhang等[17]利用過(guò)硫酸銨使3-氨基-4-甲氧基苯甲酸（AMB）發(fā)生聚合作用，形成聚合物PAMB，進(jìn)一步在N-（3-二甲基氨基丙基）-N'-乙基碳二亞胺鹽酸鹽和N-羥基琥珀酰亞胺作用下與明膠發(fā)生交聯(lián)，制成交聯(lián)的導(dǎo)電水凝膠PAMB-G。PAMB-G被注射入發(fā)生心梗的大鼠心臟疤痕區(qū)組織，證實(shí)可以改善損傷區(qū)的電沖動(dòng)傳導(dǎo)、維持心室功能正常及降低心律失常的發(fā)生。Fu等[18]同樣將PAMB-G注射入大鼠梗死心肌區(qū)，進(jìn)一步證實(shí)了該導(dǎo)電水凝膠發(fā)揮心臟生物傳導(dǎo)作用較為遠(yuǎn)期（1年）的效果，表明其長(zhǎng)時(shí)間無(wú)毒性及維持心功能的作用。

3.3 水凝膠負(fù)載功能性細(xì)胞在心臟阻滯治療中的應(yīng)用

細(xì)胞移植對(duì)心臟傳導(dǎo)阻滯的治療，是一個(gè)十分有潛力的策略。但細(xì)胞導(dǎo)入心臟后容易發(fā)生遷移和彌散，而難以發(fā)揮功能。因此，常使用水凝膠來(lái)負(fù)載功能性細(xì)胞，解決細(xì)胞移植中較難駐留在病損區(qū)的問(wèn)題。Choi等[19]將骨骼肌細(xì)胞負(fù)載在Matrigel基質(zhì)膠中，植入心臟房室交界區(qū)心外膜下，證實(shí)該細(xì)胞—基質(zhì)膠復(fù)合體可以溝通心房和心室之間的電沖動(dòng)傳導(dǎo)，提示其治療房室傳導(dǎo)阻滯的應(yīng)用潛力。Zhu等[19]則制備了一種甲基丙烯酸明膠基導(dǎo)電水凝膠，作為發(fā)送臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的載體治療心梗，結(jié)果顯示該水凝膠具有類似在體心肌的傳導(dǎo)特性，對(duì)植入的間充質(zhì)干細(xì)胞擴(kuò)增存活作用明顯，并能上調(diào)其心功能分子的表達(dá)，起到了降低梗死面積和改善傳導(dǎo)的治療作用。

4 問(wèn)題和展望

水凝膠在生物起搏和傳導(dǎo)治療中的應(yīng)用效果，雖然已被大量研究證實(shí)，但仍有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究解決。如水凝膠注射中的量效、次效及期效，采用射頻消融和急性缺血制作的動(dòng)物模型與人體退行性病變的差異，誘導(dǎo)移植細(xì)胞及在體心肌組織重塑的分子機(jī)制，生物起搏節(jié)律較慢及生物傳導(dǎo)速度調(diào)控等問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō)，水凝膠介導(dǎo)的生物起搏和傳導(dǎo)，已展現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力，將來(lái)有望成為心律失常疾病治療的理想解決方案。