供稿人：韩康 贺健康 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-07-16
尽管针对心肌梗死（MI）后的心脏修复技术已经有了长足的发展，但新的综合治疗方法仍有待开发。目前，上海交通大学医学院附属瑞金医院叶晓峰团队与东华大学游正伟团队共同设计了一种可灌注的多功能心外膜装置(PerMed)，包括可生物降解的弹性贴片(BEP)、可渗透的分层微通道网络(PHMs)和一个能够从皮下植入的泵中输送治疗药物的系统(图1)。BEP具有仿生的弹性和强度，为梗死心肌提供机械信号，限制左室重构，促进组织修复；PHMs是一种仿生微血管系统，具有多层次的多孔微通道网络，以促进血管生成和诱导修复细胞的浸润，如肌成纤维细胞和巨噬细胞。此外，由于PHMs固有的长期质量转运能力和微孔结构，可以用作治疗试剂的储库，包括药物、基因和生长因子。在心肌梗死大鼠模型中，植入PerMed可改善心室功能。此外，该团队还证明了利用微创手术将PerMed植入猪体内的可行性，显示出其临床转化治疗心脏病的潜力。
图1 PerMed组件的原理图及其在MI治疗中的应用i) 药物和生物活性制剂，包括肽、蛋白质或基因，可以通过皮下注射泵输送到受伤的心脏。ii) PerMed的组成部分，包括BEP、PHMs和输送系统(导管和适配器)。iii) PHMs使微血管和修复细胞浸润心脏。iv) PerMed对梗死心肌的力学性能有一定的改善作用。
PerMed植入后显著改善了大鼠心肌梗死后的心室功能并限制了不良的左室重构（图2a）。与心肌梗死组相比，使用PerMed (PGS)和PerMed (PGS/PCL)可提高生存率(图2b)。在PerMed (PCL)和PerMed (PGS)组，LVEF和左心室缩短分数(LVFS)有随时间减少的趋势，MI组显著减少，而在PerMed (PGS/PCL)组，LVEF和左心室缩短分数(LVFS)有随时间增加的趋势(图2c,d)。心脏磁共振成像(cMRI)显示，由左室舒张末期容积(LVEDD)和左室舒张末期容积(LVEDV)决定的左室扩张，与心肌梗死组相比, 在PerMed (PCL)和PerMed (PGS)组中得到中度预防，在PerMed (PGS/PCL)组中得到显著预防(图2e-g)。此外，通过灌注系统，PerMed能够靶向、持续和稳定地释放血小板衍生生长因子-BB增强心脏修复的功效。研究人员设置了三组实验:1)无泵组，2)PBS组和3)血小板源性生长因子-BB (PDGF-BB)组，并在心功能和心脏代谢方面进行比较(图2h)。cMRI分析显示PDGF-BB组的LVEF在第28天高于其他组(图2i)。对LVEDV和左室收缩期末容积(LVESV)分析显示了相似的结果(图2j)。PET分析显示，在第28天，PDGF-BB组边界区域的心肌细胞存活率高于其他组(图2k)。此外，通过PDGF-BB32靶向的标记物NG2染色观察周细胞。有代表性的图像显示，PDGF-BB组有许多NG2+细胞围绕着新生血管(图2l)。
图2 PerMed装置改善了大鼠心肌功能的恢复。a,28天大鼠实验设计示意图。b，所示组存活率分析。c-d，通过超声心动图评估的第0、7、14和28天的左心室射血分数(c)和缩短分数(d)。e-g，第28天舒张末期和收缩末期代表性的心脏磁共振图像与定量分析。h-k，所示组有代表性的心脏磁共振图像(上)和正电子发射断层扫描(下)图像与定量分析。l，典型的免疫荧光染色CD31(红色)，α-SMA(绿色)，NG2(粉红色)和DAPI(蓝色)来评估边缘区域的成熟血管。m-n , NG2+细胞密度(m)和成熟指数(n)的定量。
这项工作结果表明，利用互补设计制备的新型多功能心外膜装置对心肌梗死后的心脏修复具有综合治疗作用。