Injectable Self-Oxygenating Cardio-Protective and Tissue Adhesive Silk-Based Hydrogel for Alleviating Ischemia After MI Injury  

用于減輕心肌梗死后缺血的注射型自供氧心臟保護(hù)和組織粘附絲基水凝膠  

來(lái)源：Small 2024, 2312261  

《Small》期刊 2024年，文章編號(hào)2312261  

 

摘要內(nèi)容：  

摘要描述了一種新型可注射絲素蛋白（SF）與酪胺修飾藻酸鹽（TA-Alg）的復(fù)合水凝膠（TSF），該水凝膠同時(shí)負(fù)載釋氧微顆粒（OMPs）和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1α（SDF）。該材料具備機(jī)械魯棒性、組織粘附性和緩釋特性，旨在通過(guò)持續(xù)釋放氧氣和SDF，在心肌梗死（MI）區(qū)域同步激活血管新生并改善缺氧微環(huán)境，從而減少細(xì)胞死亡、抑制纖維化瘢痕形成，促進(jìn)心臟功能恢復(fù)。在大鼠MI模型中，該水凝膠使心肌細(xì)胞存活率提高≈30%，左心室收縮和舒張功能分別改善≈10%和20%，射血分?jǐn)?shù)提高≈25%。

 

研究目的：  

開(kāi)發(fā)一種兼具持續(xù)供氧和心臟保護(hù)功能的可注射水凝膠，通過(guò)局部緩釋氧氣和SDF，協(xié)同促進(jìn)MI后缺血區(qū)域的血管新生、減少心肌細(xì)胞凋亡、抑制纖維化，最終改善心臟功能。

 

研究思路：  

材料設(shè)計(jì)與合成：  

 

合成釋氧微顆粒（OMPs）：通過(guò)雙乳液法包裹過(guò)氧化鈣（CPO）于聚己內(nèi)酯（PCL）中（圖2A-D）。  

制備酪胺修飾藻酸鹽（TA-Alg），并通過(guò)酶促交聯(lián)（HRP/H?O?）與絲素蛋白（SF）形成復(fù)合水凝膠（TSF）（圖2E）。  

 

 

將OMPs和SDF化學(xué)交聯(lián)至TSF水凝膠中（TSF/OMP/SDF）（圖3E-H）。  

 

材料表征：  

 

測(cè)試水凝膠的機(jī)械性能（壓縮模量、粘附性）、孔隙結(jié)構(gòu)、降解行為、氧氣/H?O?/SDF釋放動(dòng)力學(xué)（圖2F-M，圖3A-G）。  

 

體外驗(yàn)證：  

 

評(píng)估水凝膠在人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）中的生物相容性、促內(nèi)皮化（CD31表達(dá)）和缺氧條件下（0.5% O?）的細(xì)胞存活/增殖（Ki-67）（圖4）。  

 

 

驗(yàn)證水凝膠對(duì)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）分化的心肌細(xì)胞（iCMs）搏動(dòng)功能的促進(jìn)作用。  

體內(nèi)療效評(píng)估：  

 

在大鼠MI模型（結(jié)扎左前降支）中注射水凝膠（圖5A-C）。  

分析心臟組織學(xué)：纖維化面積（Masson染色）、細(xì)胞凋亡（TUNEL）、血管密度（CD31）、干細(xì)胞歸巢（CD34?/c-Kit?）、缺氧標(biāo)志物（HIF-1α）及SDF滯留（圖5D-H，圖6）。  

 

 

 

通過(guò)光片顯微鏡三維成像評(píng)估血管網(wǎng)絡(luò)（圖7）。  

 

 

超聲心動(dòng)圖監(jiān)測(cè)心功能：射血分?jǐn)?shù)（EF）、左心室收縮/舒張容積（LVSV/LVDV）（圖8）。  

 

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義（關(guān)聯(lián)圖表）：  

材料物理化學(xué)數(shù)據(jù)

OMPs尺寸與形貌（圖2B-D）：粒徑1.6±0.3 μm，球形結(jié)構(gòu)，表面均勻分布氧元素。意義：確?？煽鼐忈屟鯕狻? 

水凝膠壓縮模量（圖2H-I）：TSF/OMP/SDF模量最高（≈55.8 kPa）。意義：匹配心肌力學(xué)環(huán)境（30-70 kPa），提供機(jī)械支撐。  

 

氧氣釋放動(dòng)力學(xué)（圖3A）：TSF/OMP水凝膠在14天內(nèi)維持氧濃度<5%（低氧水平）。意義：避免缺氧細(xì)胞死亡，同時(shí)不抑制血管新生。  

SDF滯留（圖3F-G）：化學(xué)交聯(lián)使SDF穩(wěn)定存在于水凝膠中（無(wú)釋放）。意義：確保SDF在MI部位長(zhǎng)效招募干細(xì)胞。  

 

體外細(xì)胞響應(yīng)數(shù)據(jù)

 

HUVECs存活與內(nèi)皮化（圖4B,D,G,I）：在缺氧條件下，TSF/OMP/SDF顯著提升細(xì)胞存活率（>90%）和CD31表達(dá)。意義：證明水凝膠在缺氧微環(huán)境中促進(jìn)血管生成。  

 

iCMs搏動(dòng)功能：TSF/OMP/SDF使搏動(dòng)頻率達(dá)20次/分鐘（無(wú)OMP/SDF組無(wú)搏動(dòng)）。意義：氧氣和SDF協(xié)同改善心肌細(xì)胞功能。  

 

 

體內(nèi)治療效果數(shù)據(jù)

 

纖維化面積（圖5H）：TSF/OMP/SDF組瘢痕面積顯著低于對(duì)照組。意義：減少心肌組織不可逆損傷。  

 

血管密度與直徑（圖6C-D）：TSF/OMP/SDF組血管數(shù)量增加75%，血管成熟度提高。意義：促進(jìn)功能性血管網(wǎng)絡(luò)重建。  

凋亡率（圖6B）：TSF/OMP/SDF組TUNEL?細(xì)胞<5%（對(duì)照組≈20%）。意義：顯著保護(hù)心肌細(xì)胞免于凋亡。  

 

 

心功能（圖8C-E）：治療后7天，TSF/OMP/SDF組射血分?jǐn)?shù)（EF）提高≈25%，左心室收縮功能改善。意義：直接證實(shí)治療策略改善心臟泵血能力。  

 

三維血管網(wǎng)絡(luò)（圖7）：光片顯微鏡顯示TSF/OMP/SDF組血管分支增多、結(jié)構(gòu)有序。意義：直觀驗(yàn)證血管新生效果。  

 

 

結(jié)論：  

材料性能成功實(shí)現(xiàn)：開(kāi)發(fā)的TSF/OMP/SDF水凝膠具備優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度（≈55.8 kPa）、組織粘附性（圖3I）及緩釋特性（氧氣維持<5%低氧水平14天，SDF化學(xué)錨定）。  

 

協(xié)同治療機(jī)制：OMPs緩解MI區(qū)缺氧，SDF招募干細(xì)胞并促進(jìn)血管新生，二者協(xié)同提升內(nèi)皮細(xì)胞存活（缺氧下>90%）和心肌細(xì)胞功能（搏動(dòng)頻率↑）。  

 

顯著體內(nèi)療效：在大鼠MI模型中，該水凝膠使血管密度增加75%，心肌細(xì)胞凋亡率降至<5%，纖維化面積減少，最終改善心功能（EF↑≈25%）。  

 

轉(zhuǎn)化價(jià)值：為MI治療提供了一種可注射、多功能的生物材料策略，通過(guò)局部調(diào)控微環(huán)境促進(jìn)心臟修復(fù)。  

 

Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義詳細(xì)解讀：  

數(shù)據(jù)內(nèi)容（圖3A）：使用丹麥Unisense Opto-F1光纖傳感器測(cè)量水凝膠在無(wú)氧PBS中的溶解氧濃度，顯示TSF/OMP水凝膠在14天內(nèi)持續(xù)釋放氧氣，濃度穩(wěn)定在3-5%（低氧水平）。  

 

研究意義：  

驗(yàn)證低氧維持能力：MI核心區(qū)氧濃度常低于0.5%，而5%以下的低氧環(huán)境既能避免細(xì)胞死亡，又可激活促血管生成信號(hào)（如HIF-1α）。Unisense數(shù)據(jù)證明該水凝膠可將極端缺氧（anoxia）提升至生理性低氧（physiological hypoxia），為細(xì)胞存活提供適宜環(huán)境。  

 

規(guī)避高氧毒性：傳統(tǒng)氧載體易因突釋造成局部高氧，引發(fā)氧化損傷。該數(shù)據(jù)表明OMPs通過(guò)PCL包裹實(shí)現(xiàn)可控緩釋，且濃度始終低于5%，避免ROS過(guò)量生成。  

 

支持血管新生機(jī)制：低氧環(huán)境（3-5%）可上調(diào)VEGF等促血管因子，與SDF協(xié)同促進(jìn)圖6C-D中的血管密度增加。Unisense數(shù)據(jù)為"OMPs通過(guò)創(chuàng)建低氧微環(huán)境增強(qiáng)血管化"的結(jié)論提供直接證據(jù)。  

解釋體內(nèi)HIF-1α調(diào)控（圖6E）：水凝膠組HIF-1α表達(dá)低于對(duì)照組，因OMPs緩解了MI區(qū)的極端缺氧，避免HIF-1α持續(xù)高表達(dá)導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡（與圖6B凋亡減少一致）。