解鋒 錢曉慶 徐志云

上海長海醫(yī)院心血管外科(解鋒，徐志云)，上海交通大學生物醫(yī)學工程學院(錢曉慶)

·綜述·

水凝膠在心肌組織工程中的研究進展

解鋒 錢曉慶 徐志云

上海長海醫(yī)院心血管外科(解鋒，徐志云)，上海交通大學生物醫(yī)學工程學院(錢曉慶)

近年來用于心肌組織工程研究的生物材料不斷被廣大學者研究和重視起來，水凝膠以其一定的韌性、流變性、良好的生物相容性和可降解性被越來越廣泛地應用于心肌組織工程。水凝膠在心室重構、改善心功能等方面都發(fā)揮著重要作用。本文以水凝膠在心肌組織工程中的研究進展做一綜述。

水凝膠； 心肌組織工程； 生物材料

【Keywords】 Hydrogel； Cardiac tissue engineering； Biomaterial

FundProgram：National Natural Science Foundation of China(81470592)

健康的心肌組織是由心肌細胞、內皮細胞、平滑肌細胞和成纖維細胞以及心肌中相互作用的細胞外基質構成。細胞與基質之間的規(guī)律生長，形成具有高度組織協(xié)調性和動態(tài)收縮性的組織[1]。這些細胞與細胞外基質相互作用。細胞外基質中有調節(jié)干細胞生長、分化和成熟心肌細胞收縮的細胞因子，以及調節(jié)細胞有絲分裂的信號因子等[2]。當心臟組織由于心肌梗死遭受破壞，導致細胞死亡，在心肌梗死區(qū)，原先井然有序排列的細胞外基質的正常結構也因此喪失[3-4]。近年來人們對心肌梗死的認識和診療水平都取得了進步，血管重建術和相關藥物的使用很大程度上降低心肌梗死患者的死亡率[5]，但這些措施仍舊難以解決心肌梗死后心肌細胞凋亡這一關鍵問題。

目前，隨著生物材料的快速發(fā)展，工程化心肌組織也呈現出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。把具備一定功能的細胞(心肌干細胞、骨髓間充質干細胞、誘導性多能干細胞)、功能生物材料支架或其他生物活性分子(如生長因子、藥物等)植入心肌，用以修復或替代功能受損或壞死的心肌組織[6]，即原位構建工程化心肌組織。在所研究的生物材料中，具有三維網絡樣結構、有一定的韌性和流變性、含水分達95%、可以攜帶藥物或者細胞進行治療的兼具支架支撐功能的水凝膠，顯得尤為重要。本文主要對水凝膠在心肌組織工程中的應用進行了小結。

1 基于聚異丙基丙烯酰胺的溫敏性可注射水凝膠

研究發(fā)現，溫敏性可注射水凝膠在體外一定溫度下可以以液體狀態(tài)存在，在局部注射入心肌組織后，由于溫度的變化，可以變?yōu)槟z，從而對壞死受損的心肌組織起到支撐和保護作用，有的溫敏性水凝膠還可攜帶藥物或者細胞因子等，進行緩慢釋放，從而達到治療和恢復心肌功能的目的。劉楊等[7]探討水凝膠攜帶腎素抑制劑阿利吉侖對心肌梗死后大鼠心室重構的影響，將70只Wistar大鼠隨機分成了假手術組、磷酸緩沖液組、磷酸緩沖液+阿利吉侖組、水凝膠組、水凝膠+阿利吉侖組這五組，結果顯示溫度敏感性水凝膠攜帶阿利吉侖比單純應用水凝膠更能改善心肌梗死后大鼠的心室重構，具有協(xié)同的心肌保護作用。其可能機制是通過影響基質金屬蛋白酶-2(matrix metallopeptidase-2，MMP-2)、基質金屬蛋白酶-9 (matrix metallopeptidase-9，MMP-9)、金屬蛋白酶組織抑制劑-1(tissue inhibitor of metalloproteinase-1，TIMP-1)的活性及下調轉化生長因子-β(transforming growth factor，TGF-β)的表達來影響膠原代謝，減少膠原合成從而改善心室重構及心肌梗死后的心功能。任珊等[8]探討不同降解時間的聚異丙基丙烯酰胺水凝膠對梗死后心肌組織膠原代謝的影響。他們合成了兩種不同降解時間的聚異丙基丙烯酰胺溫敏性水凝膠，然后作用于Wistar大鼠的心肌梗死模型。結果表明，這兩種水凝膠均能減少膠原在梗死區(qū)域的沉積，心肌組織Ⅰ、Ⅲ型膠原的比值也有所下調。該實驗表明此種水凝膠可以影響到心肌組織的膠原代謝。他們發(fā)現梗死后心肌組織TGF-β1表達明顯增加。Navaei等[9]將心肌干細胞、心肌細胞與溫敏性嵌物先包裹起來，然后借助帶有巰基的明膠形成網絡狀的攜帶有心肌細胞的具有治療作用的溫敏型水凝膠。體內外實驗表明，該新型水凝膠無論在其韌度、彈性模量方面，還是在保護心肌組織、促進心肌細胞再生方面都表現出了較好的功能。Li等[10]利用聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM)、丙烯酸(AAc)、甲基丙烯酸羥乙酯(HEMA)合成了攜帶心肌球細胞(CDCs)的溫敏性水凝膠，并對其在正常狀態(tài)(靜態(tài))、壓力狀態(tài)(動態(tài))下，進行促進心肌組織再生的實驗研究，結果表明，在40 kpa的水凝膠環(huán)境下，CDCs的生長和增殖更加快，提示應優(yōu)先選擇40 kpa的水凝膠。

2 基于殼聚糖的可注射水凝膠

殼聚糖是β-(1-4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-D-葡萄糖和2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖的聚合物，這種聚陽離子的生物二聚體主要從蝦、蟹外殼成分幾丁質脫乙?；@得。具有良好的組織相容性、生物可降解性[11]。Chenite等[12]以多元醇甘油磷酸鈉為中和試劑，與殼聚糖反應后，得到了pH值中性左右的復合物(殼聚糖-甘油磷酸鈉復合物)，該復合物具備溫敏性，可在室溫或者低于室溫時保持液態(tài)較長時間，當溫度升高到生理體溫后可發(fā)生凝膠作用，生成水凝膠。徐斌等[13]以氯化殼聚糖為溫敏材料，配制了殼聚糖水凝膠，并用于心肌梗死治療。多普勒心超儀表明殼聚糖水凝膠注射組的左心室梗死壁厚度明顯大于PBS注射組和心肌梗死模型組相應厚度；殼聚糖水凝膠注射心肌梗死區(qū)后，可改善左心室舒張功能。支架材料還應該具有良好的生物降解性，實驗結果顯示術后1～2周內可見殼聚糖水凝膠散在分布于心肌梗死部位，并逐步降解，至第4周則未見明顯殼聚糖水凝膠樣物質，表明所配制材料降解時間在2～4周之間，這一降解時間比較符合可注射性組織工程心肌支架材料的需要。Henning等[14]在沒有其他任何交聯(lián)劑參與作用的情況下，采取了不同濃度的氫氧化鈉溶液法和氨氣氣體法，經過中和至pH值顯示為中性后，制備了2種殼聚糖水凝膠，并對他們的性能進行了表征。實驗結果表明：只含有殼聚糖、水，沒有交聯(lián)劑和其他有機溶劑的水凝膠被成功制備出來。蒸汽法制備的水凝膠降低了聚合物的平均分子量，卻由于其自身凝膠化作用延長了在去離子水中的儲存時間。大于2%濃度的溶液制備的水凝膠顯示出了更好的物理化學性能和機械力學性質，這表明凝膠的機械力學和強度性質取決于初始溶液的濃度和凝膠化的過程。

3 其他用于心肌組織工程的水凝膠

張建武和陳敏生[15]從干細胞治療心梗的現狀及不足出發(fā)，結合心肌梗死后的病理生理變化，開發(fā)出了具有抗過氧化保護細胞功能和為干細胞提供三維載體的葛根素水凝膠生物材料，并對其物理化學性能及生物相容性進行表征。采用葛根素水凝膠攜帶骨髓間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)進行移植治療心肌梗死模型，觀察其對細胞滯留、心功能改善、心室重構的作用和影響。研究發(fā)現，2%、4%和6%的葛根素水凝膠可減少H2O2誘導的細胞ROS水平，增加細胞存活。葛根素水凝膠能夠提高移植細胞在心梗局部的滯留和存活，促進MSCs改善心功能和心室重構的治療效果。袁霄和羅素新[16]構建了功能性的自組裝肽納米纖維(SAPNF)水凝膠，這種水凝膠可以與細胞結合，同時注射MSCs和SAPNF能均衡地改善收縮與舒張功能，顯微鏡可以觀察到增加的移植細胞留存率和梗死周圍區(qū)域的毛細血管密度[17]。自組裝肽納米纖維(SAPNF)水凝膠能夠誘導微環(huán)境，利于移植細胞的存留和內源性血管細胞的聚集，大大增強了血管生成和心肌再生的能力[18]。華文熙等[19]制備了一種新的基于多巴胺導電冷凍凝膠并研究其對心肌梗死的治療潛力。凝膠的主要特性是多巴胺使心肌細胞緊密黏附于支架材料上，具有較強的力學特性與彈性模量能夠模仿正常心肌的組織特性。在支架材料上培養(yǎng)心肌細胞作為心肌補片被植入到了心肌梗死大鼠模型體內，心肌補片可以顯著提高心臟功能，縮小疤痕的范圍，從而提高梗死心臟舒張期和收縮期的心室順應性。白睿和劉惠亮[20]通過對前期脫細胞方法的優(yōu)化，獲得了充足的脫細胞基質材料，并將該材料制備為水凝膠形式，用碳納米管(CNT)改性，制備了具有更強活性的碳納米管脫細胞基質水凝膠材料。將CNT-脫細胞基質水凝膠材料分別用于心肌細胞和棕色脂肪干細胞(BADSCs)的體外培養(yǎng)。系統(tǒng)評價了CNT-脫細胞基質水凝膠的生物相容性，并通過心肌相關基因、蛋白的表達評價了復合材料對心肌細胞電活性的影響，觀察了材料對BADSCs增殖和向心肌分化的作用。CNT脫細胞基質水凝膠有利于受損心肌的修復，其攜帶BADSCs能夠明顯提高細胞在體內的滯留率，并促進BADSCs在體內向心肌的分化。周志益和黃晶[21]制備控釋雙生長因子藻酸鹽水凝膠載體并檢測其理化性能，并用于無針噴射心肌打孔，通過影像學及組織病理學方法檢測其孔道效應，觀察梗死心肌局部填充凝膠對左室重塑及心功能的影響。實驗發(fā)現，控釋雙生長因子藻酸鹽水凝膠具有較快的體內外降解速度、對細胞活性無明顯影響、適合作為孔道填充物、ECM類似物。梗死心肌局部填充控釋雙生長因子藻酸鹽水凝膠可以增加癱痕厚度，增加微血管及小動脈密度，改善心功能。

Wang等[22]將聚醚酰亞胺 (PEI)與β-環(huán)糊精連接后得到衍生物(CD-PEI)，后又用PEG與金剛烷胺相互鏈接(Ad-PEG)，利用β-環(huán)糊精與金剛烷的主客體化學反應，包裹siRNA，用于心肌梗死的治療。結果表明，此復合物大大提高了siRNA的轉遞效率，降低了毒性。Rufaihah等[23]利用聚乙二醇纖維蛋白原(PF)水凝膠包裹了VEGF和ANG-1生長因子進行心肌缺血的治療。對4個組(分別是對照組、食鹽水組、水凝膠組、水凝膠+VEGF+ANG-1組)的實驗研究表明，水凝膠+VEGF+ANG-1組在心功能改善方面取得了最好效果。研究提示PF水凝膠可能既能作為支撐材料，又能很好的作為VEGF和ANG-1的遞送載體用于心肌梗死治療。Bao等[24]利用π-π共軛效應首次成功制備了PEG-MEL/HA-SH/GO/ADSCs 水凝膠，該水凝膠由PEG和MEL首先形成復合物，此復合物與HA-SH交聯(lián)，然后加耦聯(lián)上氧化石墨烯(GO)，包裹ADSCs細胞。此包載了ADSCs的水凝膠既具有一定的模量，又具有一定的導電能力。用此水凝膠進行心肌梗死治療，發(fā)現該水凝膠對心功能的改善有明顯的提升作用，大大提高了射血分數，減小了梗死面積以及提高了新生心肌血管密度。研究表明，該可導電的水凝膠可成為心肌組織工程的又一重要材料。

綜上所述，心肌梗死后心肌細胞如何能較長時間地滯留在梗死區(qū)，構建怎么樣的微環(huán)境才能更好地促進心肌細胞、成纖維細胞的生長是心肌梗死治療的重要問題。隨著生物材料的快速發(fā)展，各種不同結構和功能的水凝膠陸續(xù)被研發(fā)出來，如：由聚異丙基丙烯酰胺構成溫敏性水凝膠、由殼聚糖制備的水凝膠、攜帶各種干細胞、藥物和生長因子的水凝膠、可導電的水凝膠等。水凝膠有著良好的生物相容性和可降解性，對心肌組織不僅起到支架支撐作用，同時因其不同的攜帶物而表現出治療、修復功能，在心肌組織工程中將發(fā)揮越來越重要的作用。

利益沖突：無

[1] Chien KR，Domian IJ，Parker KK.Cardiogenesis and the complex biology of regenerative cardiovascular medicine[J].Science，2008，322(5907)：1494.DOI：10.1126/science.1163267.

[2] Lutolf MP，Hubbell JA.Synthetic biomaterials as instructive extracellular microenvironments for morphogenesis in tissue engineering[J].Nature Biotechnology，2005，23(1)：47.DOI：10.1038/nbt1055.

[3] 賈敏，劉震，羅義，等.MiRNA-423-5p與急性心肌梗死后心室重構的關系[J].中國心血管雜志，2016，21(4)：273-277.DOI：10.3969/j.issn.1007-5410.2016.04.004.

Jia M，Liu Zh，Luo Y，et al.Relationship between miRNA-423-5p and left ventricular remodeling in patients with acute myocardial infarction[J].Chin J Cardiovasc Med，2016，21(4)：273-277.DOI：10.3969/j.issn.1007-5410.2016.04.004.

[4] Dobaczewski M，Gonzalez-Quesada C，Frangogiannis NG.The extracellular matrix as a modulator of the inflammatory and reparative response following myocardial infarction[J].Journal of Molecular&Cellular Cardiology，2010，48(3)：504-511 DOI：10.1016/j.yjmcc.2009.07.015.

[5] 皮陽，魏寶柱，錢成，等.曲美他嗪治療缺血性心肌病效果的薈萃分析 [J].中國心血管雜志，2016，21(6)：478-484.DOI：10.3969/j.issn.1007-5410.2016.06.012.

Pi Y，Wei BZ，Qian Ch，et al.Meta-analysis of efficacy of trimetazidine on treatment of ischemic cardiomyopathy[J].Chin J Cardiovasc Med，2016，21(6)：478-484.DOI：10.3969/j.issn.1007-5410.2016.06.012.

[6] 熊鹿，黃晶.生物材料在原位構建工程化心肌組織中的應用[J].心血管病學進展，2010，31(03)：454-456.DOI：10.3969/j.issn.1004-3934.2010.03.037.

Xiong L，Huang J.Application of biomaterials in situ myocardial tissue engineering[J].Adv C ardiovasc Dis，2010，31(03)：454-456.DOI：10.3969/j.issn.1004-3934.2010.03.037.

[7] 劉楊，李曉艷，蔣學俊，等.溫度敏感性水凝膠攜帶阿利吉侖對心肌梗死后大鼠左室重構的影響[J].實用藥物與臨床，2015(01)：18-23.DOI：10.14053/j.cnki.ppcr.201501005.

Liu Y，Li XY，Jiang XJ，et al.Effects of a lisk ren with the rmosensitive hydrogel onrat ventricular remodeling after myocardial infarction[J].Practical Pharmacy Clinical Remedies，2015(01)：18-23.DOI：10.14053/j.cnki.ppcr.201501005.

[8] 任珊，陳丹，文英，等.新型聚異丙基丙烯酰胺水凝膠影響大鼠梗死后心肌膠原代謝[J].武漢大學學報(醫(yī)學版)，2014，35(02)：183-188.DOI：1671-8852(2014)02-0183-06.

Ren Sh，Chen D，Wen Y，et al.Poly N-isopropylacrylamide Hydrogel affects the myocardial collagen metabolism post myocardial infarction in rat′s model[J].Med J Wuhan Univers，2014，35(02)：183-188.DOI：1671-8852(2014)02-0183-06.

[9] Navaei A，Truong D，Heffernan J，et al.PNIPAAm-based biohybrid injectable hydrogel for cardiac tissue engineering[J].Acta Biomaterialia，2016，32(2)：10-23.DOI：10.1016/j.actbio.2015.12.019.

[10] Li Z，Fan Z，Xu Y，et al.Thermosensitive and highly flexible hydrogels capable of stimulating cardiac differentiation of cardiosphere-derived cells under static and dynamic mechanical training conditions[J].Acs Applied Materials & Interfaces，2016.8(25)：15948-15957.DOI：10.1021/acsami.6b04932.

[11] Lee KY，Ha WS，Park WH.Blood compatibility and biodegra-dability of partially N-acylated chitosan derivatives.Biomaterials，1995，16：1211-1216.DOI：10.1016/0142-9612(95)98126-Y.

[12] Chenite A，Chaput C，Wang D，et al.Novel injectable neutral solutions of chitosan form biodegrable gels in situ[J].Biomaterials，2000，21：2155-2161.

[13] 徐斌，盧文寧，劉濤，等.心肌梗死局部注射殼聚糖水凝膠材料的存留和降解[J].中國組織工程研究與臨床康復，2011，15(12)：2157-2160.DOI：10.3969/j.issn.1673-8225.2011.12.017.

Xu B，Lu WN，Liu T，et al.Residual and degratation of chitosan hydrogel injected into infarcted myocardium[J].J Clinic Rehablitat Tiss Engin Res，2011，15(12)：2157-2160.DOI：10.3969/j.issn.1673-8225.2011.12.017.

[14] Henning RJ，Khan A，Jimenez E.Chitosan hydrogels significantly limit left ventricular infarction and remodeling and preserve myocardial contractility[J].J Surg Res，2016，201(2)：490-497.DOI：10.1016/j.jss.2015.11.012.

[15] 張建武，陳敏生.葛根素水凝膠在MSCs移植治療心肌梗死中的作用及機制研究[D].南方醫(yī)科大學，2016.

Zhang JW，Chen MS.The effect and mechanism of Puerarin Hydrogel on MSCs transplantation in the treatment of myocardial infarction[D].Southern Medical University，2016.

[16] 袁霄，羅素新.構建自組裝肽納米纖維水凝膠用于心肌修復[D].重慶大學，2016.

Yuan X，Luo SX.Fabrication of self-assembling peptide nanofiber hydrogels for myocardial repair[D].Chongqing University，2016.

[17] Lin YD，Yeh ML，Yang YJ，et al.Intramyocardial peptide nanofiber injection improves postinfarction ventricular remodeling and efficacy of bone marrow cell therapy in pigs[J].Circulation，2010，122(11 Suppl)：132-141.DOI：10.1161/CIRCULATIONAHA.110.939512.

[18] Davis ME，Motion JP，Narmoneva DA，et al.Injectable self-assembling peptide nanofibers create intramyocardial microenvironments for endothelial cells[J].Circulation，2001，17(1)：107-113.DOI：10.1161/01.CIR.0000153847.47301.80.

[19] 華文熙，鐘世鎮(zhèn)，邱小忠.多巴胺導電水凝膠心肌補片的制備及其對大鼠心肌梗死的修復作用[D].南方醫(yī)科大學，2016.

Hua WX，Zhong SZ，Qiu XZ.The DOPA-based conducting cryogel for regenerative cardiac tissue patch in a rat infarct model[D].Southern Medical University，2016.

[20] 白睿，劉惠亮.基于碳納米管改性的脫細胞基質水凝膠的心肌組織工程研究[D].中國人民解放軍醫(yī)學院，2015.

Bai R，Liu HL.Cardiac Tissue Engineering based on the CNT-Decellularized Matrix Hydrogel[D].PLA medical college，2015.

[21] 周志益，黃晶.無針噴射控釋雙生長因子水凝膠治療急性心肌梗死的實驗研究[D].重慶醫(yī)科大學，2011.

Zhou ZY，Huang J.Experimental study on the treatment of acute myocardial infarction with non needle controlled release double growth factor hydrogel[D].Chongqing Medical University，2011.

[22] Wang LL，Sloand JN，Gaffey AC，et al.Injectable，guest-Host assembled polyethylenimine hydrogel for siRNA delivery[J].Biomacromolecules，2017.18(1)：77-86.DOI：10.1021/acs.biomac.6b01378.

[23] Rufaihah AJ，Johari NA，Vaibavi SR，et al.Dual delivery of VEGF and ANG-1 in ischemic hearts using an injectable hydrogel[J].Acta biomaterialia，2017，48：58-67 DOI：10.1016/j.actbio.2016.10.013.

[24] Bao R，Tan B，Liang S，et al.A π-π conjugation-containing soft and conductive injectable polymer hydrogel highly efficiently rebuilds cardiac function after myocardial infarction [J].Biomaterials，2017，122：63-71.DOI：10.1016/j.biomaterials.2017.01.012

Researchprogressofhydrogelinmyocardialtissueengineering

XieFeng，QianXiaoqing，XuZhiyun

DepartmentofCardiothoracicSurgery，ChanghaiHospital，Shanghai200433，China(XieF，XuZY)；InstituteofNanoBiomedicineandEngineering，SchoolofBiomedicalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240，China(QianXQ)

XuZhiyun，Email：xie1087229224@sina.com

In recent years，biomaterials for myocardial tissue engineering have been developed a lot.Hydrogel，with toughness，rheology，good bio-compatibility and biodegradability was more and more widely used in myocardial tissue engineering.Hydrogel plays an important role in remodeling ventricular and heart function improvement.In this article we reviewed the research progress on hydrogel in myocardial tissue engineering.

徐志云，電子信箱：xie1087229224@sina.com

10.3969/j.issn.1007-5410.2017.05.013

國家自然科學基金(編號：81470592 )

2017-04- 27)

(本文編輯：周白瑜)