可注射水凝膠在心肌梗死中的應(yīng)用與進(jìn)展

陳廣 文英 蔣學(xué)俊

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心內(nèi)科 武漢大學(xué)心血管病研究所 心血管病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430060)

在過去的30年里，全球心血管疾病患者數(shù)量從1990年的2.71億增加到2019年的5.23億，發(fā)病率升高了93%，死亡人數(shù)從1990年的1 210萬增加到2019年的1 860萬，死亡率升高約54%[1]。中國是全球心血管疾病負(fù)擔(dān)最重的國家之一。心血管疾病死亡率高居首位。中國現(xiàn)患人數(shù)冠心病為1 139萬，心力衰竭(心衰)為890萬。心肌梗死(myocardial infarction， MI)是當(dāng)前心衰最常見的病因之一[2]。對于終末期心衰患者，唯一可選的治療方案是心臟移植，但供體來源稀缺，因此，臨床急需新的方式以有效地阻斷或逆轉(zhuǎn)MI后心室重塑，抑制梗死后心衰及缺血性心臟病的發(fā)生。

可注射水凝膠具有與細(xì)胞外基質(zhì)相似的三維結(jié)構(gòu)、良好的生物相容性以及力學(xué)特性，能提供與天然心肌相似的生理環(huán)境，因此在心肌修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用前景。根據(jù)水凝膠來源的不同，可分為天然水凝膠和合成水凝膠。部分天然水凝膠已成功進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并取得了積極的臨床療效。

1 可注射水凝膠單獨(dú)注射治療MI

可注射水凝膠是一類極為親水的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物，溶液狀態(tài)下可通過注射的方式植入體內(nèi)，并在特定的條件下(如一定溫度、酸堿度或多價(jià)離子等)發(fā)生溶膠-凝膠相轉(zhuǎn)變，用于組織缺損的填補(bǔ)。用于心臟修復(fù)可通過心外膜、心內(nèi)膜或冠狀動(dòng)脈內(nèi)注射等三種途徑進(jìn)入心肌，在一定程度上替代梗死期間降解的細(xì)胞外間質(zhì)，支持受損心肌組織，防止局部運(yùn)動(dòng)障礙，減少室壁應(yīng)力，抑制心室重塑。

1.1 天然水凝膠

天然水凝膠提取自生物體內(nèi)，來源包括各種蛋白質(zhì)(如膠原蛋白、纖維蛋白、明膠、角蛋白、絲素蛋白和絲蛋白)以及多糖(如海藻酸鈉、透明質(zhì)酸、瓊脂糖、葡聚糖、纖維素和殼聚糖等)[3]。天然水凝膠具有較高的生物活性、生物相容性及可降解性[4-6]?；诤Ｔ逅猁}水凝膠(Algisyl-LVR和IK-5001)和細(xì)胞外基質(zhì)水凝膠(VentriGel)目前已成功進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段。

Ⅱ期臨床研究AUGMENT-HF[7]結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)藥物聯(lián)合外科手術(shù)治療相比，經(jīng)心外膜注射Algisyl-LVR的附加使用顯著提高了晚期心衰患者12個(gè)月的峰值攝氧量，改善了心功能和臨床結(jié)局，且Algisyl-LVR的使用并未帶來額外的安全問題?；贏UGMENT-HF所取得的結(jié)果，更大規(guī)模的AUGMENT-HFⅡ(NCT03082508)已成功啟動(dòng)，以進(jìn)一步評估該治療方式的安全性和有效性。RESERVATION-1研究[8]中采用IK-5001通過經(jīng)導(dǎo)管冠狀動(dòng)脈內(nèi)注射，透過MI后受損的毛細(xì)血管，在梗死局部高鈣環(huán)境下成膠，替代梗死期間降解的細(xì)胞外間質(zhì)，支持受損心肌組織，防止局部運(yùn)動(dòng)障礙，減少室壁應(yīng)力。該研究結(jié)果顯示，與生理鹽水組對照，IK-5001顯示出了良好的安全性及耐受性，并顯著提升了MI患者6個(gè)月時(shí)的運(yùn)動(dòng)耐量。VentriGel水凝膠提取自豬心肌細(xì)胞外基質(zhì)，Ⅰ期臨床試驗(yàn)中共納入15例MI后左心室功能不全患者(25%≤左室射血分?jǐn)?shù)≤45%)，經(jīng)心內(nèi)膜途徑心肌內(nèi)注射VentriGel。經(jīng)6個(gè)月隨訪，VentriGel在MI患者中應(yīng)用的安全性及可行性良好，且對于病史超過12個(gè)月的患者，顯著提升了心肌內(nèi)注射后3個(gè)月和6個(gè)月的左心室收縮末期容積?；冖衿谂R床試驗(yàn)的良好結(jié)果，其Ⅱ期臨床試驗(yàn)已獲得美國食品和藥物管理局批準(zhǔn)后正式啟動(dòng)[9]。鑒于近年來國外臨床試驗(yàn)中較好的安全性及療效，中國德柯醫(yī)療有限公司引入Algisyl-LVR并對其進(jìn)行改性，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水凝膠經(jīng)心內(nèi)膜注射系統(tǒng)，首次在國內(nèi)將海藻酸鹽水凝膠用于治療心衰患者的臨床安全性及可行性驗(yàn)證試驗(yàn)(NCT04781660)已于2021年4月啟動(dòng)，目前已完成受試者入組，已有的小樣本數(shù)據(jù)顯示該水凝膠能顯著改善患者的左室射血分?jǐn)?shù)，明顯緩解心衰癥狀，預(yù)計(jì)今年完成所有主要結(jié)果指標(biāo)的數(shù)據(jù)采集。

1.2 合成水凝膠

合成水凝膠彌補(bǔ)了天然水凝膠批次間差異大、力學(xué)性能差及潛在的免疫原性等缺陷。通過改變合成工藝，研究人員可改變合成水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度、孔隙率、降解速率、黏結(jié)速率和其他高分子性能。在阻止梗死瘢痕擴(kuò)展與室壁變薄以及改善心功能的同時(shí)尚能實(shí)現(xiàn)改善心肌組織電傳導(dǎo)性等特殊功能。聚吡咯是一種化學(xué)合成導(dǎo)電聚合物，有學(xué)者通過化學(xué)氧化聚合法制備聚吡咯-殼聚糖水凝膠(poly-pyrrole-chitosan hydrogel， PPY-CHI)，在大鼠MI模型中，將PPY-CHI于梗死7 d后注射到梗死區(qū)心臟組織，可使梗死心肌組織電阻降低30%，電傳導(dǎo)性增加33%，心臟收縮同步性得以改善。PPY-CHI注射3個(gè)月后對心功能的保護(hù)效應(yīng)依然存在，并將心律失常易感性降低30%[10]，達(dá)到傳統(tǒng)藥物治療無法實(shí)現(xiàn)的治療效果。

2 水凝膠載藥治療MI

口服及靜脈用藥方式受到全身毒性和重復(fù)給藥等問題的困擾?？勺⑸湫运z具有良好的生物相容性及出色的藥物釋放性能，其在微創(chuàng)局部給藥、更精確的定位給藥以及以更低的藥物劑量達(dá)到更好的治療效果等方面具有良好的應(yīng)用前景。

2.1 促血管再生藥物

MI后局部缺血缺氧、炎癥反應(yīng)以及大量氧自由基的產(chǎn)生等導(dǎo)致局部微環(huán)境惡劣，不利于梗死區(qū)血管再生及心肌修復(fù)，生長因子和細(xì)胞旁分泌活性物質(zhì)的應(yīng)用可有效促進(jìn)血管再生，但全身用藥具有副反應(yīng)大以及生物利用率低的局限性，以水凝膠為載體提供了解決這一問題的新思路[11]。如最近研究證明鍶離子可促進(jìn)血管生成，但其全身用藥半衰期短以及生物利用率低，嚴(yán)重限制了其臨床應(yīng)用。Xing等[12]制備了能實(shí)現(xiàn)鍶離子持續(xù)9 d以上局部緩釋的SrCO3/人血清白蛋白復(fù)合水凝膠，并將其注射于小鼠心肌缺血再灌注模型中，可顯著增加梗死周邊區(qū)血管密度，明顯減輕心功能惡化和瘢痕形成，提供了一種低成本、穩(wěn)定且安全的治療途徑。此外促血管再生傳統(tǒng)藥物(如血管內(nèi)皮生長因子和堿性成纖維細(xì)胞生長因子[13-14])以及非傳統(tǒng)藥物(如1，4-二氫苯醌-4-酮-3-羧酸、生物玻璃和丹酚酸B[15-17])搭載于水凝膠均能實(shí)現(xiàn)促進(jìn)梗死周邊區(qū)血管再生及心功能恢復(fù)。

2.2 抗氧化藥物

MI后的嚴(yán)重缺氧缺血會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)，尤其在梗死初期，炎癥反應(yīng)與活性氧自由基過度蓄積密切相關(guān)。超氧化物和過氧化氫是MI后產(chǎn)生的主要活性氧類型，清除氧自由基可減少梗死區(qū)內(nèi)皮細(xì)胞和心肌細(xì)胞的凋亡[18]。有學(xué)者[19]利用水凝膠搭載生物相容性過氧化氫酶，制備了一種能有效清除體內(nèi)過氧化氫并產(chǎn)生氧氣的新型光敏水凝膠，用于大鼠MI模型，能顯著清除過量的氧自由基，抑制細(xì)胞凋亡，增加M2/M1巨噬細(xì)胞比例，促進(jìn)血管生成，減少梗死面積，改善心功能。

2.3 抗炎藥物

過度的局部炎癥反應(yīng)加重了MI后的心肌損傷，加速細(xì)胞外基質(zhì)的合成，導(dǎo)致心肌纖維化、心室重塑和心衰?？寡字委熆捎行Ц纳芃I后的預(yù)后。在近期的臨床試驗(yàn)中，通過靜脈及口服用藥方式，白介素-1β抑制劑卡那奴單抗[20]及傳統(tǒng)抗炎藥秋水仙堿[21]均降低了冠心病患者的心血管事件風(fēng)險(xiǎn)，但全身用藥存在治療窗窄以及耐受性低的局限性。有學(xué)者[22]嘗試采用水凝膠搭載秋水仙堿于大鼠MI周邊區(qū)局部注射，實(shí)現(xiàn)了秋水仙堿在心臟局部的持續(xù)穩(wěn)定釋放，有效抑制了巨噬細(xì)胞的增殖與遷移，抑制了梗死后的炎癥反應(yīng)，改善了梗死后的心臟結(jié)構(gòu)和功能。

2.4 抗纖維化藥物

MI后梗死區(qū)的修復(fù)性纖維化可幫助維持心臟結(jié)構(gòu)的完整，避免心臟破裂，維持心臟功能，而非梗死區(qū)的反應(yīng)性纖維化持續(xù)進(jìn)行則增加了室壁僵硬度，影響心臟的舒張功能。在MI的中晚期，引入生物活性因子來抑制心肌纖維化(從心肌成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化)已被認(rèn)為是有希望預(yù)防心衰的重要方法。最新研究[23]表明，骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)9是一種內(nèi)源性心肌纖維化抑制劑，通過抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β1，可有效地減緩MI后心肌纖維化的進(jìn)程。有學(xué)者[24]設(shè)計(jì)出搭載血管內(nèi)皮生長因子和骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)9雙釋放復(fù)合水凝膠，實(shí)現(xiàn)了血管內(nèi)皮生長因子的快速釋放和骨形態(tài)發(fā)生蛋白質(zhì)9的延遲緩慢釋放，應(yīng)用于小鼠MI模型，在促進(jìn)梗死后早期血管生成的同時(shí)，成功地實(shí)現(xiàn)了長效抑制梗死后心肌纖維化。

2.5 抗細(xì)胞外基質(zhì)降解藥物

在心臟組織中細(xì)胞外基質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)由基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase， MMP)和金屬蛋白酶組織抑制物動(dòng)態(tài)維持[25]。MI后由于MMP的上調(diào)，尤其是冠狀動(dòng)脈閉塞初期MMP-2/9的上調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)中各種蛋白質(zhì)成分的降解，從而加劇早期不良的心室擴(kuò)張。在TIPTOP試驗(yàn)[26]中，對急性MI患者早期短期給予多西環(huán)素治療，通過對MMP-2/9的抑制作用，成功改善了心室重塑。為了達(dá)到梗死區(qū)局部持續(xù)給藥的目的，有研究[27]將MMP-2特異性抑制劑CTTHWGFTLC (CTT)搭載到溫度敏感性水凝膠，輸送到梗死心肌，結(jié)果表明水凝膠和CTT之間的強(qiáng)氫鍵使CTT在低劑量下緩慢釋放4周，有效地防止了心肌細(xì)胞外基質(zhì)的降解，改善了心功能。

3 水凝膠載干細(xì)胞治療MI

成體心肌細(xì)胞是一種終末分化細(xì)胞，其增殖能力有限。MI導(dǎo)致大量心肌細(xì)胞死亡，無法通過增殖再生，導(dǎo)致心肌無法有效重建，外源性干細(xì)胞的應(yīng)用使完全重建有功能的心肌成為可能。然而，梗死局部微環(huán)境惡劣，導(dǎo)致移植細(xì)胞存留率、存活率及分化率過低，有1%～3%的移植細(xì)胞在梗死局部注射后呈現(xiàn)陽性的心肌細(xì)胞表型[28]。水凝膠具有類似于細(xì)胞外基質(zhì)的三維網(wǎng)絡(luò)樣結(jié)構(gòu)，可為移植細(xì)胞提供黏附位點(diǎn)和生長微環(huán)境。通過改性后的水凝膠模擬細(xì)胞外微環(huán)境，以增加移植細(xì)胞在心肌中的保留及存活率，是目前干細(xì)胞治療應(yīng)用于心臟的一個(gè)非常有前途的方法。有學(xué)者[29]以明膠甲基丙烯酸酯和氧化葡聚糖為載體，通過添加多巴胺修飾的還原性石墨烯模仿正常心臟組織電導(dǎo)率，構(gòu)建了一種用于MI的水凝膠體系。利用該復(fù)合水凝膠搭載臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞移植入梗死心肌組織，成功提高了臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的心肌分化能力，顯著降低了梗死面積，促進(jìn)了臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的存活。近期一項(xiàng)國內(nèi)關(guān)于水凝膠載干細(xì)胞治療慢性缺血性心臟病的臨床試驗(yàn)(NCT02635464)[30]，共入組50例左室射血分?jǐn)?shù)≤45%的慢性缺血性心臟病患者，完成了44例患者術(shù)后1年的隨訪，結(jié)果表明細(xì)胞及材料移植安全性良好，并顯著減少了患者的梗死面積。此試驗(yàn)提供了第一個(gè)臨床證據(jù)，為更大規(guī)模的臨床研究提供了基礎(chǔ)。

4 水凝膠載細(xì)胞外囊泡治療MI

有研究[31]表明，干細(xì)胞移植改善心功能的作用機(jī)制并不依賴于細(xì)胞本身，而是干細(xì)胞所分泌的細(xì)胞因子、生長因子和外泌體等的旁分泌作用，這些生物活性物質(zhì)具有誘導(dǎo)血管生成、抑制心肌細(xì)胞凋亡和促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖的能力。與干細(xì)胞移植相比，生物活性物質(zhì)的局部應(yīng)用更為簡單直接，且能有效地避免干細(xì)胞移植的潛在致瘤性和免疫原性。然而其在器官中的半衰期相對較短，全身給藥可能被吞噬細(xì)胞迅速清除，并在肺、脾和肝等單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)器官中優(yōu)先累積，導(dǎo)致無法控制的副作用和生物安全風(fēng)險(xiǎn)。局部緩釋應(yīng)用成為這一類生物活性物質(zhì)用于梗死后心臟修復(fù)的不二選擇。近期有學(xué)者[32]證實(shí)，MI大鼠中搭載了間充質(zhì)干細(xì)胞來源的細(xì)胞外囊泡的水凝膠，可通過上調(diào)miR-221-3p的表達(dá)，促進(jìn)血管生成和心肌細(xì)胞的凋亡，縮小心肌纖維化面積，改善心功能。

5 總結(jié)和討論

近年來，用于心臟組織工程的可注射水凝膠取得了長足的進(jìn)展，材料上從單純的天然及合成水凝膠，到復(fù)雜的混合水凝膠，更好地賦予了水凝膠相應(yīng)的導(dǎo)電性、機(jī)械特性以及抗氧化等特性。注射方式探索了經(jīng)心內(nèi)膜、經(jīng)心外膜和經(jīng)導(dǎo)管冠狀動(dòng)脈內(nèi)注射三種途徑。應(yīng)用上也從單純的水凝膠單獨(dú)注射治療，到基于水凝膠的細(xì)胞移植以及藥物/生物活性物質(zhì)投遞系統(tǒng)。目前已有多種水凝膠成功進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，表現(xiàn)出了良好的心肌保護(hù)和心功能改善效果。

目前可注射水凝膠用于MI的治療仍處于探索階段，在水凝膠的劑量、注射時(shí)間和材料等基本問題上仍未達(dá)成廣泛共識(shí)。此外，對于目前廣泛應(yīng)用的海藻酸鹽，有研究[33]指出海藻酸鈉與鈣離子交聯(lián)形成的海藻酸鹽水凝膠會(huì)引起局部鈣化，可通過雙膦酸鹽減少海藻酸鹽鈣化，或使用氯化鋇代替氯化鈣避免礦化。但目前有關(guān)海藻酸鹽水凝膠臨床試驗(yàn)并未提及注射局部鈣化的問題，可能是由于鈣離子濃度較低的原因。同樣作為二價(jià)陽離子，鍶離子具有促血管生成的生物活性，是否能利用鍶離子代替鈣離子的交聯(lián)作用形成海藻酸鹽水凝膠以避免局部鈣化，有待材料學(xué)專家進(jìn)一步探討。隨著研究的深入，學(xué)者們開始嘗試各種新型環(huán)境刺激響應(yīng)型智能水凝膠，可更好地實(shí)現(xiàn)靶向治療：如根據(jù)梗死部位弱酸性環(huán)境及上調(diào)的MMP的特點(diǎn)，采用pH敏感及酶敏感型水凝膠[34-35]；利用動(dòng)脈粥樣硬化斑塊部位明顯的血管狹窄及富含炎性巨噬細(xì)胞的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出機(jī)械應(yīng)力及炎性巨噬細(xì)胞雙敏感水凝膠等[36]。

隨著更先進(jìn)和更智能的生物材料的發(fā)掘，以及對于心肌修復(fù)及再生機(jī)制的深入探索，未來通過新型生物工程材料與醫(yī)學(xué)更緊密地結(jié)合，必然能構(gòu)建出適宜于MI臨床治療和實(shí)現(xiàn)梗死心肌完全再生的水凝膠系統(tǒng)。