包载IGF-1的可粘贴式心脏补片在改善梗死心肌重构中的应用

20241222

本研究将研制一种可以限制心脏扩张、具有缓释的生物活性、可直接粘贴至心外膜的心脏补片。具体研究内容如下： 1.1 构建支架系统 为了在递送过程中保护胰岛素生长因子，并将其定向输送到梗死心肌组织，封装使用的包载IGF-1的PCL支架是本项目的技术关键所在。本项目计划利用可生物降解的缓释微球包裹IGF-1，并将其呈串珠样排列在PCL支架中：缓释微球用于IGF-1的持续释放，而PCL的结构则用于机械支持。由于PCL支架良好的机械特性，可以在此过程中限制心脏扩张，同时不影响心脏正常的舒缩功能，发挥对心室重构的预防作用。 1.2 制备ECM水凝胶 ECM在发育、衰老、生理和病理生理重构过程中是一个重要的机械、电及化学信号传导器。同时，ECM凭借其动态支架结构的特点，在重塑、替换和再生受损心血管组织方面取得了显著成效。 聚乙烯醇是一种经FDA批准用于医疗用途的聚合物产品，具有高含水率和优良的可塑性，还可以促进氧气和可溶性因子的交换。此外，PVA还具有稳定的机械强度（如弹性、粘弹性），可以促进附着、排列、心肌细胞的生长和伸长，支持心脏的动态和连续的扩张和收缩。但由于其分子结构和材料特性的限制，导电性能还需进一步提升。 基于上述考虑，本研究旨在制备一种ECM水凝胶，既能支持心肌细胞生理性电传递，又能提供一定的粘弹性，为梗死区心肌细胞修复提供良好条件。 1.3 设计定量喷涂装置 水凝胶是一种由亲水性聚合物交联而成的具有三维网络结构的生物材料。随着环境的变化，水凝胶的含水率和机械性能会随之改变。为了使其物理性质保持稳定，我们将设计一种定量喷涂装置，使其在储存时稳定保持原有的理化性质，并在适当的时候可以按照需要即时定量喷涂至支架系统表面，进行临床应用。通过这种方式，只需要少量的ECM水凝胶就可以达到效果；而且可以保证IGF-1缓释微球的持续稳定释放，并且定向输送到梗死心肌区域，有助于该种心脏补片在修复梗死心肌中的简便应用。 1.4 包载IGF-1的可粘贴式心脏补片在大鼠心梗模型中的应用 使用大鼠心脏前降支结扎的方法建立大鼠心梗模型，并将其分为假手术组和心肌补片移植组。心梗模型建立后注意观察大鼠饮食、体重等一般生理指标变化，并通过ELISA法检测血清中 CK-MB、TnI、LDH等心肌损伤标志物的浓度及其变化。造模成功7d后，对心肌补片移植组大鼠行心肌补片移植术。术后4周后观察手术效果：通过动物生理信号记录仪记录心电图，评价所有大鼠左心室功能，通过64通道电标测系统评估梗死心脏的电整合水平，通过Masson三色染色评价心脏心梗区纤维化情况。

冠状动脉粥样硬化发生后，由于心肌细胞长期缺血缺氧，心肌细胞数量会逐渐减少，病程呈进行性加重，心肌梗死区将逐渐被成纤维细胞取代，梗死区瘢痕化会导致梗死区心电传导异常、心律失常、心脏舒张功能受限。存留的心肌组织为了满足机体对血供的需求，心脏进行代偿而导致心脏心室发生重构，心室扩张后，心室壁变薄，最终心脏失代偿，导致心力衰竭。由于成人心肌细胞并不具备自我更新的能力，目前临床上除心脏移植外没有一种治疗方式可以使心脏的泵送功能完全恢复至患病前的状态。此外，心脏移植供体来源短缺、术后易出现免疫排斥等问题。其它治疗手段均无法逆转心肌梗死和心脏功能进一步恶化，因此，目前临床急需开发一种有效疗法来修复受损的心肌、限制心室重构，预防终末期心衰的治疗方法。 由于心血管疾病发病率和死亡率呈逐年上升趋势，严重影响着人们的生命健康，给国民和社会带来日亦加重的经济负担，其已成为重大公共卫生问题。国家“十四五”规划中提到：根据我国居民疾病谱，选择致死致残率较高、严重影响人民健康的恶性肿瘤、心脑血管疾病等重大疾病相关专科进行普惠性建设。因此，构建可粘贴式的心脏补片重建心肌再生微环境、修复梗死心肌具有重要的社会意义和战略意义。该产品的研制和转化，将有巨大的潜在市场规模及预期产业化前景。 利用组织工程原理，单纯应用工程化心脏补片中的支架材料构建的，一种可以限制心脏扩张、具有缓释的生物活性、可直接粘贴至心外膜的新型复合材料心脏补片，预期解决临床真实需求，将填补国内空白，有广阔的临床应用前景。 北京安贞医院穆军升教授团队和清华大学高分子所徐军教授团队，联手研制完成对梗死心肌重构有改善作用的新型可粘贴式心脏补片，在已经提出申请专利的基础上，尽快完成专利授权，研制出工程化样品。通过2次举办相关成果进行交流汇报，大力推广其在临床的实际应用，并通过申请专利使用权许可、进行专利所有权转让的方式，推广其在临床的实际应用。并完成前期的动物实验，拥有该新型心脏补片对大鼠心梗模型的短期和长期修复性作用的实验数据，验证初步可行性。与相关企业洽谈，试图达成成果转化协议，采取或以科技成果作价入股或赋权方式完成转化。

整个课题可以概括有四个主要节点： 第1个主要节点：北京安贞医院穆军升教授团队和清华大学高分子所徐军教授团队联合负责研究串珠样结构膜补片，利用可生物降解的缓释微球包裹IGF-1，并将其呈串珠样排列在PCL支架中：缓释微球用于IGF-1的持续释放，而PCL的结构则用于机械支持。由于PCL支架良好的机械特性，可以在此过程中限制心脏扩张，同时不影响心脏正常的舒缩功能，发挥对心室重构的预防作用。将PCL与包载IGF-1的可粘贴式心脏补片，达到稳定持续的缓释效能。 第2个主要节点：北京安贞医院穆军升教授团队的博士研究生白宏晔负责制备ECM水凝胶。这种水凝胶采用聚乙烯醇（PVA），一种经FDA 批准用于医疗用途的聚合物产品，具有高含水率和优良的可塑性，还可以促进氧气和可溶性因子的交换。此外，PVA还具有稳定的机械强度（如弹性、粘弹性），可以促进附着、排列、心肌细胞的生长和伸长，支持心脏的动态和连续的扩张和收缩。但由于其分子结构和材料特性的限制，导电性能还需进一步提升，实验研究中进一步改进。制备一种ECM水凝胶，既能支持心肌细胞生理性电传递，又能提供一定的粘弹性，为梗死区心肌细胞修复提供良好条件。 第3个主要节点：北京安贞医院穆军升教授团队的周晔副主任医师和博士研究生侯晓杰负责设计定量喷涂装置。为了使水凝胶物理性质保持稳定，将设计一种定量喷涂装置，使其在储存时稳定保持原有的理化性质，并在适当的时候可以按照需要即时定量喷涂至支架系统表面，进行临床应用。通过这种方式，只需要少量的ECM水凝胶就可以达到效果；而且可以保证IGF-1缓释微球的持续稳定释放，并且定向输送到梗死心肌区域，有助于该种心脏补片在修复梗死心肌中的简便应用。 第4个主要节点：北京安贞医院穆军升教授团队的黄国晖副主任医师和硕士研究生高桢负责包载IGF-1的可粘贴式心脏补片在大鼠心梗模型中的应用。使用大鼠心脏前降支结扎的方法建立大鼠心梗模型，并将其分为假手术组和心肌补片移植组。造模成功7d后，对假手术组大鼠仅行开关胸术，对心肌补片移植组大鼠行心肌补片移植术。术后4周后观察手术效果：通过动物生理信号采集记录仪记录心电图，通过小动物超声机评价所有大鼠左心室功能，通过64通道电标测系统评估梗死心脏的电整合水平，通过Masson三色染色评价心脏心梗区纤维化情况。

心肌梗死是由冠状动脉突然阻塞引起的心肌缺血、坏死和心力衰竭。心血管病死亡率占据全球居民总死亡原因的首位。心肌缺血可引起异常电信号传播、心律失常、心肌纤维化、僵硬疤痕形成，且由于心肌细胞再生能力较弱，恶化过程通常是不可逆的。目前治疗手段均无法逆转心肌梗死和心脏功能进一步恶化，所以，目前临床急需一种能改善心功能和心室重构的治疗方法。,心血管疾病已成为危害全世界人类健康的重要问题。由于其发病率和死亡率呈逐年上升趋势，给国民和社会带来日亦加重的经济负担，其已成为重大公共卫生问题。 冠状动脉粥样硬化发生后，由于心肌细胞长期缺血缺氧，心肌细胞数量会逐渐减少，病程呈进行性加重，心肌梗死区将逐渐被成纤维细胞取代，梗死区瘢痕化会导致梗死区心电传导异常、心律失常、心脏舒张功能受限。存留的心肌组织为了满足机体对血供的需求，心脏进行代偿而导致心脏心室发生重构，心室扩张后，心室壁变薄，最终心脏失代偿，导致心力衰竭。由于成人心肌细胞并不具备自我更新的能力，目前临床上除心脏移植外没有一种治疗方式可以使心脏的泵送功能完全恢复至患病前的状态。此外，心脏移植供体来源短缺、术后易出现免疫排斥等问题。其它治疗手段均无法逆转心肌梗死和心脏功能进一步恶化，所以，目前临床急需一种能改善心功能和心室重构的治疗方法。 应运而生的ECPs，并在其基础上，进一步改进的心脏补片，具有重建心肌再生微环境和修复梗死心肌的潜力：一方面，心脏补片可以整合心肌梗死区与健康心肌组织之间的电传导，实现心梗区导电微环境的重建。另一方面，心脏补片可以提供机械力学支撑，从而防止左心室过度扩张及心脏破裂。除此之外，添加生物分子组成的心脏补片还具有增强心肌组织内源性修复途径的作用，从而达到修复受损心肌的目的。外敷细胞外基质水凝胶与心外膜间可产生良好的贴合性，使临床应用更加方便简易。 国家“十四五”规划中提到：根据我国居民疾病谱，选择致死致残率较高、严重影响人民健康的恶性肿瘤、心脑血管疾病等重大疾病相关专科进行普惠性建设。因此，构建可粘贴式的心脏补片重建心肌再生微环境、修复梗死心肌具有重要的社会意义和战略意义。 在制作静电纺丝技术制成的PCL支架的同时，添加包裹促进细胞分化和细胞修复的胰岛素生长因子（Insulinlike growth factor 1,IGF-1）的缓释微球，制作成为一种新型心脏补片。这种新型的包载IGF-1的补片与提供细胞微环境的ECM凝胶一起，进一步制作成为一种可以限制心脏扩张、具有缓释的生物活性、可直接粘贴至心外膜的复合材料补片。这种复合材料补片不仅保持PCL支架的上述特性，而且将增加下列优势： 1）可以维持健康心肌和瘢痕组织之间电整合的仿生电导率； 2）可以增强梗死心脏跳动顺应性的仿生弹性； 3）可以促进缺血性损伤心肌组织的内源性修复； 4）具有可粘附的性质，简易方便于临床使用。 利用组织工程原理，单纯应用工程化心脏补片中的支架材料构建的心脏补片具有重建心肌再生微环境和修复心肌梗死的潜力：一方面，心脏补片可以整合心肌梗死区与健康心肌组织之间的电传导，实现心梗区导电微环境的重建；另一方面，心脏补片可以提供机械力学支撑，从而防止左心室过度扩张及心脏破裂；避免了工程化心脏补片中细胞的免疫原性和伦理性的弊端，显示出广阔的临床应用前景。