張 喜

（海軍軍醫(yī)大學人體解剖學教研室，上海 200433）

多年來利用干細胞、基因及生物材料進行心臟再生一直是研究的熱點。自20年前第1例組織工程心肌構(gòu)建成功[1]，到近來具有腔室的心臟類器官（迷你心臟）培育問世[2]，期間取得的巨大進展備受矚目。其中，生物起搏和傳導作為心臟再生醫(yī)學的一個分支，近年來的研究尤為活躍。所謂生物起搏和傳導，是指利用生物學相關(guān)技術(shù)手段對受損心臟傳導系統(tǒng)進行的修復和替代，以此恢復正常的起搏或傳導功能。對比于目前臨床上主要使用的電子起搏，生物起搏和傳導具有不受電磁干擾、可神經(jīng)體液調(diào)節(jié)、無電池壽命限制及可隨機體一起發(fā)育的潛能和優(yōu)勢。在該領(lǐng)域研究中，國內(nèi)外學者開展了大量的工作，采用了導入起搏基因和細胞至心臟、重編程原位心肌及組織工程移植等策略探討理想解決方案，在體內(nèi)外實驗中效果均得到了驗證[3-4]。

在上述研究中，生物可降解材料得到了廣泛和關(guān)鍵的應用，帶動并推進了生物起搏和傳導應用的研發(fā)。近期美國西北大學報道了最新研發(fā)的輕薄柔軟、無導線、可降解、可吸收的臨時起搏器，其所有組成部件均為無害的生物相容性材料，除了能規(guī)避傳統(tǒng)電子起搏器一般缺陷外，尚能在使用完畢后無需手術(shù)取出，性能優(yōu)勢明顯[5]。

總的來看，在心臟起搏和傳導研究中，應用的生物可降解材料主要包括合成高分子材料、膠原海綿、水凝膠等。其中，水凝膠是應用最廣泛和深入的，除了傳統(tǒng)的藥物載體、細胞載體及組織修復應用，還有其他的創(chuàng)新應用形式（表1）。近年來，圍繞水凝膠開展的生物起搏傳導研究工作進展迅速，現(xiàn)綜述如下。

1 水凝膠的一般特性和分類

水凝膠是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水物質(zhì)，在水中能保持一定形狀但不被水溶解，具有較強的吸水性、保水性及凝膠穩(wěn)定性。根據(jù)對外界刺激的響應情況，水凝膠可分為傳統(tǒng)水凝膠和環(huán)境敏感水凝膠，根據(jù)性質(zhì)又可分為中性水凝膠和離子型水凝膠。此外，還可根據(jù)構(gòu)成來源分為天然水凝膠和合成水凝膠。天然水凝膠由天然來源的親水性高分子構(gòu)成，如纖維素、海藻酸、透明質(zhì)酸、殼聚糖、膠原、聚L-賴氨酸等；合成水凝膠由合成的親水高分子構(gòu)成，如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇等[6]。在心臟再生醫(yī)學領(lǐng)域，較常應用的水凝膠主要包括藻酸鹽凝膠、殼聚糖凝膠、細胞外基質(zhì)凝膠、自組裝多肽水凝膠和纖維蛋白膠等，作為載體、基質(zhì)及支架使用[7-9]。

表1 水凝膠在生物起搏傳導中的應用

2 水凝膠在生物起搏研究中的應用

水凝膠在生物起搏中的應用主要體現(xiàn)在3個方面：一是可誘導心肌細胞的自發(fā)活性，使其具有起搏特性；二是優(yōu)化電子起搏器心肌-電極界面，通過抗炎、抗纖維化、抗傳導阻滯作用提高起搏效率；三是作為起搏細胞的支架和載體，在構(gòu)建起搏組織中發(fā)揮作用。

2.1 水凝膠誘導心肌細胞的自發(fā)活性

在生物起搏研究中，較早期的研究主要是通過轉(zhuǎn)染起搏基因、重編程等誘導心肌細胞產(chǎn)生自發(fā)活性[10]。而近期Hu等[11]的研究顯示，絲蛋白水凝膠亦能夠使大鼠心室肌細胞激活轉(zhuǎn)化為起搏細胞，是通過誘導血管內(nèi)皮細胞鈣黏素糖蛋白的表達發(fā)揮這一作用。在體外，絲蛋白水凝膠誘導獲得的起搏細胞表現(xiàn)出竇房結(jié)細胞的功能和形態(tài)特征；在大鼠左心室內(nèi)，注射絲蛋白水凝膠產(chǎn)生的起搏細胞可作為竇房結(jié)功能性替代物。該研究的結(jié)果提示，使用合適表面結(jié)構(gòu)、力學和生化特性的生物材料，是生物心臟起搏器構(gòu)建推廣的較可行方案和重要方向。

2.2 水凝膠對心肌-電極界面的優(yōu)化作用

目前雖然不斷有起搏器低能耗及電池技術(shù)的改進，卻仍然有較多患者由于電池壽命和續(xù)航問題，需要重新進行起搏器移植手術(shù)。其原因主要是起搏器電極易導致心肌組織的炎癥反應，會對心肌造成損傷和纖維化，且隨著損傷和纖維化的加重，須輸出更強的電刺激才能維持起搏。因此，改善心肌組織與電極之間的接觸界面，就可降低起搏電壓閾值，從而提高起搏器工作效率，延長電池壽命。為此，Zhao等[12]測試了一種名為 PAMB-G 水凝膠生物材料，通過離體心肌實驗證實其能夠進行高效電傳導，在傳導速度、場電位振幅等方面性能優(yōu)異。進一步在Langendorff心臟和在體心臟實驗中顯示，PAMB-G注射到心肌組織-起搏電極界面后，能夠保護心肌并改善心肌-電極界面，有效降低起搏電壓閾值，比單純電極以及使用明膠修飾界面更能有效維持起搏器的工作效率。

2.3 水凝膠在起搏組織構(gòu)建中的作用

水凝膠可作為起搏細胞的載體，注射入心臟中發(fā)揮作用；亦可作為起搏細胞的支架，在體外形成起搏細胞—支架復合體，進一步培養(yǎng)成為起搏組織，從而移植入心臟構(gòu)建起搏器。Tao等[13]將新生鼠來源的心臟細胞種植到纖維蛋白凝膠上，在體外可形成一個自發(fā)收縮的心臟組織片構(gòu)建物。Zhang等[14]則利用Matrigel基質(zhì)膠與心臟祖細胞來源的起搏細胞復合，在體外培養(yǎng)形成起搏組織，并將其移植入動物心室，證實在體內(nèi)可產(chǎn)生功能性的異位起搏點。上述研究中利用水凝膠構(gòu)建的起搏組織雖然具有自發(fā)電活性，但與宿主竇房結(jié)在功能結(jié)構(gòu)上仍差別較大，如起搏頻率、細胞類型及組織結(jié)構(gòu)等方面。

3 水凝膠在心臟生物傳導研究中的應用

傳導阻滯是指心臟某一部位由于病損，其傳導沖動發(fā)生的減慢或阻滯。如由于房室結(jié)或希氏束出現(xiàn)病損，在心房與心室之間會發(fā)生房室傳導阻滯；又如竇房結(jié)周圍組織出現(xiàn)病變，則在竇房結(jié)與心房之間可發(fā)生竇房傳導阻滯；以及心肌梗塞、心肌炎及藥物反應等因素，則可能在心房或心室內(nèi)導致發(fā)生房內(nèi)阻滯或室內(nèi)阻滯。上述阻滯疾病發(fā)生后，若程度嚴重，則需要電子起搏器治療。鑒于電子起搏存在的一些無法克服的缺陷，利用水凝膠開展心臟生物傳導的研究進展迅速，有望為患者帶來福音。目前水凝膠應用于生物傳導的形式，主要是將導電介質(zhì)引入到水凝膠中制備成導電水凝膠，然后利用其導電性、降解吸收性、生物相容性及力學性能，直接注射或者負載功能性細胞后注射入心臟，以達到治療傳導阻滯的目的。

3.1 引入納米材料制成的水凝膠在心臟阻滯治療中的應用

金屬納米材料和碳基納米材料具備良好的導電性能，將其結(jié)合入水凝膠中，能夠有效提高水凝膠的導電性能和力學性能，可應用于心臟傳導阻滯治療。Zhou等[15]將氧化石墨烯納米顆粒引入水凝膠中，制備成名為OPF/GO的導電水凝膠，注射入心臟后，證實能夠通過Wnt信號通路上調(diào)相關(guān)縫隙連接蛋白的表達，改善正常心肌與疤痕心肌之間電傳導，對心梗后心功能的維持作用明顯。Zyl等[16]則利用納米纖維素碳納米管制成導電水凝膠，并在Langendorff離體心臟經(jīng)射頻消融產(chǎn)生心肌阻滯后注射，證實所制備水凝膠能夠恢復阻滯心肌的電傳導。

3.2 引入有機聚合物制成的導電水凝膠在心臟阻滯治療中的應用

明膠是一種由膠原蛋白水解而成的聚合物，由于較好的生物相容性、可降解性及安全性，在心臟再生修復研究中應用較多。但明膠水凝膠由于其力學性能較差，常需要通過共價交聯(lián)或納米復合等方式改性才能充分發(fā)揮其功效。Zhang等[17]利用過硫酸銨使3-氨基-4-甲氧基苯甲酸（AMB）發(fā)生聚合作用，形成聚合物PAMB，進一步在N-（3-二甲基氨基丙基）-N'-乙基碳二亞胺鹽酸鹽和N-羥基琥珀酰亞胺作用下與明膠發(fā)生交聯(lián)，制成交聯(lián)的導電水凝膠PAMB-G。PAMB-G被注射入發(fā)生心梗的大鼠心臟疤痕區(qū)組織，證實可以改善損傷區(qū)的電沖動傳導、維持心室功能正常及降低心律失常的發(fā)生。Fu等[18]同樣將PAMB-G注射入大鼠梗死心肌區(qū)，進一步證實了該導電水凝膠發(fā)揮心臟生物傳導作用較為遠期（1年）的效果，表明其長時間無毒性及維持心功能的作用。

3.3 水凝膠負載功能性細胞在心臟阻滯治療中的應用

細胞移植對心臟傳導阻滯的治療，是一個十分有潛力的策略。但細胞導入心臟后容易發(fā)生遷移和彌散，而難以發(fā)揮功能。因此，常使用水凝膠來負載功能性細胞，解決細胞移植中較難駐留在病損區(qū)的問題。Choi等[19]將骨骼肌細胞負載在Matrigel基質(zhì)膠中，植入心臟房室交界區(qū)心外膜下，證實該細胞—基質(zhì)膠復合體可以溝通心房和心室之間的電沖動傳導，提示其治療房室傳導阻滯的應用潛力。Zhu等[19]則制備了一種甲基丙烯酸明膠基導電水凝膠，作為發(fā)送臍帶間充質(zhì)干細胞的載體治療心梗，結(jié)果顯示該水凝膠具有類似在體心肌的傳導特性，對植入的間充質(zhì)干細胞擴增存活作用明顯，并能上調(diào)其心功能分子的表達，起到了降低梗死面積和改善傳導的治療作用。

4 問題和展望

水凝膠在生物起搏和傳導治療中的應用效果，雖然已被大量研究證實，但仍有許多問題有待于進一步研究解決。如水凝膠注射中的量效、次效及期效，采用射頻消融和急性缺血制作的動物模型與人體退行性病變的差異，誘導移植細胞及在體心肌組織重塑的分子機制，生物起搏節(jié)律較慢及生物傳導速度調(diào)控等問題?？偟膩碚f，水凝膠介導的生物起搏和傳導，已展現(xiàn)出較大的應用潛力，將來有望成為心律失常疾病治療的理想解決方案。