文獻解讀|一種可灌注的多功能心外膜裝置，可改善心臟功能及促進組織修復

文獻背景

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）后心力衰竭的進展仍具有非常強的不可逆性。心臟修復是一種對缺血性心肌細胞壞死的保護性反應，包括左心室重構、血管重建和傷口愈合等。因此，對修復過程的治療性調節(jié)或許有望預防心力衰竭并改善患者的預后。心臟補片，包括載有細胞的型補片和無細胞的型補片，已被證實能夠改善心臟修復過程中的不良左心室重構。盡管載有細胞的補片取得了進展，但細胞種子的低保留率和植入率一直是一個主要問題。相比之下，無細胞補片易于定制、實用且在臨床轉化方面前景廣闊。迄今為止，關于無細胞心臟補片的研究分別側重于優(yōu)化機械性能以抑制梗死心肌，或優(yōu)化微結構，例如孔隙、微通道或納米纖維，以促進血管再生。然而，同時具備仿生機械性能和促血管生成特性的多功能心臟補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，用于增強療效并以低劑量減少全身毒性副作用，也受到了關注。已報道的水凝膠、納米顆粒和載藥支架可以維持治療試劑的釋放，以促進心臟修復。然而，這些構建體的療效和穩(wěn)定性仍需提高。

為了克服上述障礙，上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院的葉曉峰、趙強團隊，聯(lián)合東華大學材料科學與工程學院的游正偉團隊設計了一種可滲透、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建立了一個協(xié)同的機械和生物環(huán)境，能夠有效降低壁應力和心肌細胞凋亡，改善左心室應變，并促進血管重建和心臟代謝。由于其良好的機械性能和彈性，PerMed具有適合微創(chuàng)手術植入的結構，該研究團隊還為PerMed設計了一種匹配的爪形固定器，使其能夠在大型動物（豬）模型的心外膜表面輕松且牢固地固定，其在臨床應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

作者單位：上海交通大學醫(yī)學院，東華大學

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ATP含量檢測試劑盒

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BC0304

摘要

盡管在心肌梗死（MI）后的心臟修復技術方面取得了進展，但仍需要開發(fā)新的綜合治療方法。這項研究設計了一種可灌注、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）、可滲透的分級微通道網(wǎng)絡（PHMs）以及一個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。在植入心外膜后，BEP用于為心室重塑提供機械刺激，而PHMs用于促進血管生成并允許修復細胞的浸潤。在心肌梗死的大鼠模型中，PerMed的植入改善了心室功能。當與泵連接時，PerMed能夠實現(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，增強了心臟修復的效果。此外該團隊還證明了在豬身上進行微創(chuàng)手術植入PerMed的可行性，展示了其在臨床轉化治療心臟病方面的潛力。

研究內容及結果

1裝置設計與材料表征

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

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）會導致相分離；PCL/明膠（3:1）PHMs具有多層互聯(lián)分支網(wǎng)絡，通道壁分布均勻微孔（5μm）（圖1d），而明膠比例增加（1:1）會導致結構塌陷。在機械性能方面，PGS/PCL（9:1）BEP拉伸模量（1.61±0.26MPa）介于純PGS（0.8MPa）和PCL（12MPa）之間，匹配心肌組織力學需求，在40%應變下循環(huán)拉伸/壓縮10次后，滯后率<10%，表明優(yōu)異彈性恢復能力（圖1f-g）；PCL/明膠（3:1）PHMs壓縮模量（12.75±1.73kPa）適合動態(tài)心臟變形（圖1h），40%應變循環(huán)壓縮后結構無塌陷，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，其表面心肌細胞（NRCMs）和ADSCs黏附良好，細胞活性與純PGS或PCL無差異；PCL/明膠（3:1）在體內28天保持結構完整，微孔率無顯著下降，支持心臟成纖維細胞（CFs）和脂肪干細胞（ADSCs）高存活率（>90%），并形成3D細胞網(wǎng)絡（圖1j-k）。

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

圖1：PerMed設備的設計與表征。

2 心臟功能與結構的改善

PerMed裝置改善了心功能恢復，限制了不良左室重構。大鼠心肌梗死（MI）模型分為5組：假手術組、MI組、PerMed(PCL)、PerMed(PGS)、PerMed(PGS/PCL)（圖2a），評估28天內心功能（超聲、cMRI、PET）和組織修復（Masson染色）。結果發(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（左心室射血分數(shù)）和LVFS（左心室縮短分數(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。接下來評估了PerMed對左心室重構的影響。首先，正電子發(fā)射斷層掃描（PET）結果顯示，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）和遠隔區(qū)（RZ）的心肌細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。

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

3 力學機制與細胞外基質重塑

PerMed通過改善心肌力學性能和促進組織修復雙重機制顯著增強心臟功能。區(qū)域應變分析顯示，PerMed (PGS/PCL)組在第28天表現(xiàn)出更好的左心室徑向應變（LVErr）和周向應變（LVEcc）恢復（圖3a-d），對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果（圖3e）。同時使梗死區(qū)（IZ）和邊緣區(qū)（BZ）的壁應力顯著降低（圖3f-g）。這種力學改善伴隨著活躍的組織修復過程，免疫熒光顯示肌成纖維細胞在PHMs通道和梗死區(qū)大量浸潤（擴展數(shù)據(jù)圖7a-c），同時M2型巨噬細胞在植入后第14-28天顯著增加（擴展數(shù)據(jù)圖8d-e），形成促再生微環(huán)境。更重要的是，PerMed (PGS/PCL)誘導了有利的膠原重塑，使膠原III/I比值在設備界面（圖3i）、梗死區(qū)（圖3j）和邊緣區(qū)（擴展數(shù)據(jù)圖9f）均顯著提高。這些結果表明PerMed通過協(xié)同優(yōu)化心肌力學環(huán)境和促進修復細胞介導的組織重塑，實現(xiàn)了對心肌梗死的多維度治療。

圖3：PerMed植入術后管壁應力、徑向和周向應變及膠原亞型的區(qū)域評價。

4 血管生成與細胞保護效應

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，該設備不僅促進毛細血管再生（圖4a-b），還顯著增加BZ區(qū)和PHMs內的動脈密度（擴展數(shù)據(jù)圖10-11）。18F-FDGPET成像顯示PerMed (PGS/PCL)組心肌細胞代謝活性顯著提升（圖4c-d），同時線粒體形態(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和擴展數(shù)據(jù)圖12c），ATP生成增加（圖4f），線粒體生物發(fā)生相關基因（Ppargc1a、Pink1和Opa1）表達上調（擴展數(shù)據(jù)圖13）。此外，TUNEL檢測表明PerMed (PGS/PCL)能有效抑制BZ區(qū)心肌細胞凋亡（圖4g）。這些結果證實PerMed (PGS/PCL)通過協(xié)同促進血管新生、改善能量代謝和抑制細胞凋亡等多重機制，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)秀的的物質遞送性能。其微通道網(wǎng)絡（PHMs）可實現(xiàn)治療劑的均勻灌注，體外實驗證實亞甲藍和造影劑能有效擴散（圖5b，擴展數(shù)據(jù)圖14a）。微CT顯示植入后28天內PHMs孔隙率保持穩(wěn)定（擴展數(shù)據(jù)圖7c），且纖維化未顯著影響物質擴散，AAV9-GFP在心肌細胞和肌成纖維細胞中成功表達（擴展數(shù)據(jù)圖8），18F-FDGPET-CT證實小分子藥物可有效從PerMed向心肌組織轉運（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），而手動灌注組4天內即失效。此外，設置了無泵組、PBS組和血小板衍生生長因子-BB（PDGF-BB）組三個組別，并從心臟功能和心臟代謝方面對它們進行了比較，檢驗PerMed通過持續(xù)釋放血小板衍生生長因子-BB來增強心臟修復的效果（圖5g）。功能驗證表明，持續(xù)釋放PDGF-BB顯著增強治療效果，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）的結果相似（圖5i）PET證實心肌代謝活性增強（圖5j），組織學分析顯示NG2⁺周細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。這些結果證明PerMed通過優(yōu)化的物質擴散特性和可控釋放系統(tǒng)，為心臟修復提供了高效的遞送平臺。

圖5：PerMed用于治療試劑緩釋的靶向遞送系統(tǒng)的性能。

6 大型動物植入可行性

PerMed在大型動物模型中展現(xiàn)了優(yōu)異的臨床轉化潛力。通過設計的爪形固定器（由中心環(huán)和多臂鉤針組成（圖6a和擴展數(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（擴展數(shù)據(jù)圖10c-f）。植入過程視頻記錄顯示（補充影片6），裝置能充分貼合跳動的心臟形態(tài)（擴展數(shù)據(jù)圖10f），驗證了其優(yōu)異的組織適應性和手術可行性。驗證了PerMed在大型動物中的可行性和微創(chuàng)植入潛力，為臨床轉化奠定基礎。

圖6：一種*PerMed裝置在豬體內的微創(chuàng)手術植入。

結論

在這項研究中，團隊聚焦于心肌修復領域的關鍵難題，成功研發(fā)出PerMed心外膜修復系統(tǒng)。該系統(tǒng)代表了當前心肌修復技術的重要突破，其創(chuàng)新性地整合了三大核心技術模塊：首先，采用仿生設計的BEP彈性補片具有與天然心肌組織相匹配的力學性能，能夠為受損心臟提供精準的力學支撐，有效抑制心室不良重構；其次，創(chuàng)新的PHMs微血管網(wǎng)絡通過其獨特的分層多孔結構設計，不僅顯著促進血管新生，更為各類修復細胞構建了高效的遷移通道；最后，智能化的藥物輸送系統(tǒng)可實現(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)的獨特優(yōu)勢在于：采用微創(chuàng)植入技術顯著降低手術創(chuàng)傷，其專門設計的爪形固定器已在大型動物實驗中證實了優(yōu)異的穩(wěn)定性和適配性；同時，裝置84天的持續(xù)治療效果驗證了其長期有效性，而機械支撐與生物修復的雙重協(xié)同機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化前景的心肌修復解決方案，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化潛力。

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