可注射水凝膠治療心肌梗死

高晨珊 張亞莉 侯磊

心血管疾病是導(dǎo)致人類死亡的首要原因[1]。盡管近年來急性心肌梗死（AMI）的治療取得了顯著進(jìn)展，但其致死率仍處于上升趨勢[2]。再生醫(yī)學(xué)和組織工程是研究AMI 治療的熱點，該方法旨在修復(fù)和再生受損心肌，防止心室重構(gòu)。其中，可注射水凝膠能實現(xiàn)多種治療效果的疊加，已被證實可以改善AMI 患者的生存率[3-7]。根據(jù)AMI 的病理過程，合理設(shè)計階段性治療方法，是促進(jìn)AMI 后心臟功能恢復(fù)的有效策略。

水凝膠作為AMI 治療的植入材料，其優(yōu)勢包括：（1）水凝膠可以為薄弱的受損組織提供力學(xué)支撐，同時促進(jìn)細(xì)胞黏附，減少瘢痕組織，從而改善心臟功能；（2）水凝膠作為細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）類似物，可局部持續(xù)緩釋遞送生物因子，加速血管生成；（3）采用注射的方式減少了患者的創(chuàng)傷及手術(shù)并發(fā)癥。

1 可注射水凝膠治療AMI的現(xiàn)狀

基于AMI 的病理機制，可注射水凝膠的治療主要為以下4 個方面：（1）心肌直接注射水凝膠，為受損心肌組織提供力學(xué)支撐[5-8]；（2）可注射水凝膠封裝緩釋藥物和生長因子，促進(jìn)治療藥物的生物利用度和實現(xiàn)可控的局部滯留時間，優(yōu)化治療效果[9-12]；（3）可注射水凝膠負(fù)載干細(xì)胞，提高干細(xì)胞在梗死部位的滯留時間和存活率，為干細(xì)胞的直接分泌或旁分泌提供條件，加快血管新生和心功能恢復(fù)[13-18]；（4）可注射水凝膠裝載治療性基因，促進(jìn)治療性基因在梗死區(qū)的持續(xù)性表達(dá)，抑制心肌細(xì)胞凋亡，改善心功能[2,19-24]。

1.1 可注射水凝膠單獨治療

在心力衰竭晚期，心腔擴大和室壁變薄使ECM分布密度顯著下降，心肌收縮功能減退。而過高的能量需求導(dǎo)致心肌耗氧量（MVO2）增加，進(jìn)一步加重心肌內(nèi)環(huán)境的缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞壞死和凋亡[8]。有研究表明，將水凝膠注射到心肌組織內(nèi)，其直接作用是增加室壁厚度，抑制ECM 降解，提供暫時的力學(xué)支撐；同時縮小心腔內(nèi)徑，減輕室壁張力，降低MVO2，延緩心力衰竭進(jìn)程[5]。國外臨床研究評價了3 種可注射水凝膠的可行性和安全性，分 別 為Algisyl-LVR[5]、IK-5001[6]及VentriGel[7]。Traverse 等[7]對VentriGel 治療左心功能不全開展臨床研究，初步證實了VentriGel 注射的安全性和可行性，為進(jìn)一步大規(guī)模臨床試驗提供了支持。

可注射水凝膠與心臟功能修復(fù)的相關(guān)研究，已轉(zhuǎn)向增強水凝膠的結(jié)構(gòu)和功能，如導(dǎo)電性[12-14]，抗氧化性[6,25]以及更復(fù)雜的化學(xué)成分修飾[10]等。Zhu 等[12]制備了可注射甲基丙烯酸酯明膠/氧化右旋糖苷（GelMA-O5/rGO）水凝膠，通過加入還原性石墨烯（rGO）增強水凝膠的導(dǎo)電性，促進(jìn)AMI后心功能的恢復(fù)。Wei 等[13]設(shè)計了以透明質(zhì)酸（HA）和氧化海藻酸鹽（ALG-CHO）為基礎(chǔ)、可降解和導(dǎo)電的基質(zhì)金屬蛋白酶水凝膠，增強了細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，提高了電導(dǎo)率。

1.2 緩釋AMI治療藥物的可注射水凝膠

通過心肌直接注射可緩釋生物制劑的水凝膠，可有效抑制心肌重構(gòu)，促進(jìn)心肌組織恢復(fù)[9,11,26]。水凝膠一定程度上可替代受損心肌，從而減緩AMI梗死區(qū)域ECM 的降解。在水凝膠中裝載可調(diào)控ECM 穩(wěn)態(tài)的抑制劑，可進(jìn)一步減少ECM 的降解。Fan 等[10]通過靶向AMI 后上調(diào)的基質(zhì)金屬蛋白酶-2/9（MMP-2/9），制備了雙功能AMI 響應(yīng)性水凝膠，可按需給藥，促進(jìn)血管生成和抑制心臟重構(gòu)。

小分子藥物1，4-二氫-4-酮-3-羧酸（DPCA）是一種有效的缺氧誘導(dǎo)因子（HIF）-1α 穩(wěn)定劑。Wei 等[13]設(shè)計了多功能可注射水凝膠（HA/ALG），并加入DPCA。該水凝膠一方面增強了細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，提高了電導(dǎo)率，另一方面實現(xiàn)了DPCA 的精準(zhǔn)可控持續(xù)釋放，有效穩(wěn)定梗死區(qū)微環(huán)境中的HIF-1α，促進(jìn)血管新生，從而更好地維持心功能。

AMI 早期，促進(jìn)缺血心肌血流恢復(fù)可有效提高AMI 治療效果。研究表明，將堿性成纖維細(xì)胞生長因子（b-FGF）、血小板源性生長因子（PDGF）、促血管生成素-1（Ang-1）和肝細(xì)胞生長因子（HGF）等，與血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）同時裝載到相應(yīng)類型的水凝膠中，能顯著提高其生物利用度，促進(jìn)局部血管生成，從而改善梗死心肌的血液灌注[27]。Munarin 等[28]將VEGF、b-FGF 和音猥因子（Shh）等3 種蛋白包裹到海藻微球中，然后負(fù)載到膠原基水凝膠中，注射至大鼠AMI 模型，雖然大鼠心肌均有瘢痕形成，但是VEGF、b-FGF 和Shh 的釋放促進(jìn)梗死區(qū)血管新生，大鼠心功能明顯改善，說明3 種血管生成蛋白協(xié)同作用較單一蛋白促進(jìn)血管生成的作用更有效。此外，將生物因子通過化學(xué)修飾的方式與水凝膠結(jié)合，在體內(nèi)經(jīng)水解或者酶解的方式實現(xiàn)穩(wěn)定、可控的釋放，也可能是治療AMI 的有效方案。

可注射水凝膠負(fù)載治療藥物促進(jìn)心功能恢復(fù)的作用機制主要是抑制ECM 降解，促進(jìn)血管新生，抑制心臟重構(gòu)。

1.3 緩釋干細(xì)胞的可注射水凝膠

通過水凝膠緩釋干細(xì)胞來重建壞死心肌被認(rèn)為是AMI 后抑制心室重構(gòu)的有效策略。AMI 后的內(nèi)源性修復(fù)機制始于心肌細(xì)胞的增殖再生，但心肌細(xì)胞再生能力有限，其修復(fù)過程更多依賴于祖細(xì)胞的激活補充[29]。Zhu 等[12]制備的GelMA-O5/rGO水凝膠，用于負(fù)載臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（UCMSCs），GelMA-O5/rGO/UCMSCs 水凝膠能減少梗死區(qū)梗死面積和心肌纖維化，增加心室射血分?jǐn)?shù)，最終改善AMI 后心功能。Zhu 等[14]開發(fā)了可注射、導(dǎo)電的納米復(fù)合水凝膠（GNR@SN/Gel），并包裹間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）和68Ga3+，將其注射到大鼠心肌中，可對AMI 大鼠的早期和晚期存活心肌以及心功能產(chǎn)生保護(hù)作用，實驗得到組織病理學(xué)的進(jìn)一步證實，且實現(xiàn)了對可注射水凝膠的在體監(jiān)測。MSCs和GNR@SN/Gel 復(fù)合導(dǎo)電水凝膠為AMI 的治療提供了新的策略。

國內(nèi)也有1 項臨床研究（NCT02635464）評價可注射水凝膠的安全性和可行性[15]。研究者給冠狀動脈旁路移植術(shù)（CABG）后的慢性缺血性心臟病患者心肌內(nèi)注射負(fù)載人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞（hUC-MSCs）的膠原水凝膠，結(jié)果顯示患者的心功能和生存質(zhì)量得到改善。這項臨床研究提示CABG 后心肌內(nèi)注射負(fù)載hUC-MSCs 的膠原水凝膠，用于治療AMI 安全可行。

有實驗表明移植干細(xì)胞的主要作用機制并非促進(jìn)細(xì)胞分化，而是通過細(xì)胞因子、生長因子和外泌體（EVs）的旁分泌釋放，誘導(dǎo)血管生成，抑制心肌細(xì)胞凋亡，促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖[30-31]。Chen 等[16]在AMI 后缺血心肌中注入內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs），發(fā)現(xiàn)可以改善AMI 后心功能。Zhang 等[17]發(fā)現(xiàn)來自于人間充質(zhì)干細(xì)胞（hMSCs）的EVs 可以通過保護(hù)心肌細(xì)胞免于凋亡、促進(jìn)細(xì)胞增殖和血管生成，改善缺血后損傷的心功能。多項實驗研究證實誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs）來源的EVs 富含心臟特異性微小RNA（miRNA），參與心肌細(xì)胞代謝過程的調(diào)控，有利于減少梗死面積，減輕心肌肥厚和凋亡[32-33]。Liu 等[18]設(shè)計了可持續(xù)釋放EVs 到AMI 后心肌局部微環(huán)境的復(fù)合物。從iPSCs 來源的心肌細(xì)胞（iCMs）中分離的EVs（iCM-EVs），可以改善射血分?jǐn)?shù)，減少梗死面積，減少心律失常的發(fā)生，防止心肌肥大。

由于存在細(xì)胞來源的限制和潛在的免疫反應(yīng)等問題，阻礙了可注射水凝膠緩釋干細(xì)胞在治療AMI 方面的臨床轉(zhuǎn)化。

1.4 緩釋基因的可注射水凝膠

可注射水凝膠為基因傳遞提供了可靠載體，提高了局部靶向率。目前有3 類靶基因可用于AMI的治療，即改善血液供應(yīng)的基因、減輕梗死區(qū)纖維化的基因和調(diào)節(jié)各種因素之間相互作用的基因。利用水凝膠使緩釋基因靶向梗死區(qū)域，可提高局部轉(zhuǎn)染效率[21]，實現(xiàn)局部基因表達(dá)的調(diào)控。

miRNA的表達(dá)水平與左室重構(gòu)程度顯著相關(guān)，Yang 等[21]將miRNA 納米粒（miNPs）負(fù)載到可注射水凝膠中，建立一種體內(nèi)遞送系統(tǒng)，用來治療受損心肌。這種水凝膠/miNPs 復(fù)合物可增加毛細(xì)血管密度，提高射血分?jǐn)?shù)，減少心肌纖維化，顯著改善AMI 后大鼠的心功能。Li 等[2]利用介孔二氧化硅納米顆粒（MSNs）作為miR-21-5p 的遞送載體，將MSNs/miR-21-5p 復(fù)合物封裝進(jìn)可注射水凝膠,構(gòu)建了一種遞送 miR-21-5p 的控釋系統(tǒng)，可以重構(gòu)巨噬細(xì)胞功能并調(diào)節(jié)炎性微環(huán)境，并且可向內(nèi)皮細(xì)胞遞送miR-21-5p，促進(jìn)微血管的形成。該研究實現(xiàn)了水凝膠與miR-21-5p 在治療心肌AMI 中的協(xié)同作用。

小干擾RNA（siRNA）在AMI 治療方面具有巨大的應(yīng)用潛力，siRNA 可通過水凝膠在局部持續(xù)可控的釋放，達(dá)到高效轉(zhuǎn)染的目的。Wang 等[23]設(shè)計了負(fù)載siRNA 的可注射水凝膠復(fù)合物，可以通過釋放針對MMP2 的siRNA 來抑制AMI 后局部蛋白水解酶活性的上調(diào)。

質(zhì)粒DNA（pDNA）具有高穩(wěn)定性和低免疫反應(yīng)性等優(yōu)點，但是直接在心肌內(nèi)注射，pDNA 的表達(dá)效率低，持續(xù)時間短。用水凝膠包裹pDNA 后注射到受損心肌中，可實現(xiàn)可控精準(zhǔn)釋放，從而高效轉(zhuǎn)染表達(dá)治療性蛋白。Wang 等[24]用巰基透明質(zhì)酸（HA-SH）和聚乙二醇雙丙烯酸酯（TA-PEG）制備了一種可導(dǎo)電的可注射水凝膠，促進(jìn)了心肌再生和血管生成。

2 挑戰(zhàn)與展望

在用于心臟組織工程的所有生物材料中，可注射水凝膠由于具有微創(chuàng)可控、緩慢遞送和體內(nèi)分解成無害衍生物的特性，不僅可以為心臟提供力學(xué)支撐，還可以作為細(xì)胞、生長因子和藥物的載體，展現(xiàn)了其在AMI 后損傷心肌修復(fù)和再生的巨大應(yīng)用潛力。然而，其從科研到臨床的轉(zhuǎn)化途徑仍具有挑戰(zhàn)性。可注射水凝膠在體內(nèi)生物降解機制目前仍未完全闡述清楚，降解時間是否可以控制以及降解時機的選擇也需要考慮，降解產(chǎn)物的影響也值得研究。關(guān)于可注射水凝膠對于AMI 后心肌修復(fù)和再生研究中的注射劑量、注射時間也無確定的標(biāo)準(zhǔn)。水凝膠修復(fù)心肌的作用機制等關(guān)鍵問題仍有待明確。