葛妍敏 牛夢瑤 王佳欣 胡曉惠 武軍鐸

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院心內(nèi)科,吉林 長春 130000;2.重慶醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院心內(nèi)科,重慶 400000)

急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是冠心病的嚴(yán)重類型,為致死致殘的主要原因[1]。經(jīng)皮冠狀動脈介入治療或靜脈溶栓治療均可降低急性期的死亡率,但開通梗死冠狀動脈后容易發(fā)生缺血再灌注(ischemic reperfusion,IR)損傷,造成負(fù)性心肌重構(gòu)和心功能不全,最終進(jìn)展為心力衰竭或猝死。目前的治療手段并未從根本上修復(fù)損傷的心肌,有效恢復(fù)心臟功能。清除活性氧(reactive oxygen species,ROS),減少心肌細(xì)胞的炎癥反應(yīng)和凋亡,促進(jìn)缺血區(qū)域血管再生,抑制惡性心律失常是心肌梗死(myocardial infarction,MI)后心肌修復(fù)的關(guān)鍵[2]。納米材料和其他材料組成的復(fù)合物可改善材料性能,在多種疾病的診治中具有廣闊的應(yīng)用前景,現(xiàn)就納米材料在MI及其并發(fā)癥中的治療進(jìn)展做一綜述,旨在為治療MI提供新的思路。

1 納米材料的特點

納米材料是指至少在一個維度[如長(x)、寬(y)和高(z)]上的尺寸為1～100 nm的粒子,按照維度可分為4類:零維納米材料指三個維度都處于納米尺寸的顆粒,如富勒烯C60和C70;一維納米材料指三維中有二維處于納米尺寸的材料,如納米線、納米管等;二維納米材料指三維空間中只有一維處于納米材料的尺寸,如超薄膜、多層膜;三維納米材料是指具有納米結(jié)構(gòu)的塊體,如納米介孔材料、納米金屬。納米材料可負(fù)載多種治療藥物,如血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、成纖維細(xì)胞生長因子、miRNA、干擾小RNA、小分子微粒和多種干細(xì)胞等[3]。

納米材料具有較高的表面積體積比、內(nèi)在穩(wěn)定性、生物相容性、低細(xì)胞毒性、靶向性的特性。Hosoyama等[4]開發(fā)了膠原蛋白和納米工程復(fù)合導(dǎo)電心臟貼片,發(fā)現(xiàn)含金納米材料的心臟貼片的電導(dǎo)率和37 ℃下的穩(wěn)定性均高于純膠原纖維組織,表明納米材料具有更好的穩(wěn)定性。Chen等[5]探索了多功能硅氧化鐵納米顆粒對人間充質(zhì)干細(xì)胞的作用,結(jié)果表明氧化硅納米顆粒不影響人間充質(zhì)干細(xì)胞的分化、增殖、遷移及細(xì)胞表面各型分子的表達(dá),由此說明納米材料具有較好的生物相容性和低細(xì)胞毒性。Guo等[6]采用SOD偶聯(lián)到納米金屬有機框架得到相同的結(jié)論。此外,Ai等[7]發(fā)現(xiàn)納米顆粒對心肌IR損傷部位具有靶向性,在小鼠行心臟IR手術(shù)后,與假手術(shù)組相比,手術(shù)組心肌損傷部位膽紅素納米顆粒熒光強度顯著增加。以上實驗均證明了納米材料的優(yōu)勢。

目前用于修復(fù)梗死心肌的納米材料主要包括脂質(zhì)體納米粒子、納米碳基材料(碳納米管、石墨烯、富勒烯等)、無機金屬元素(金、銀、鈣、鋅等)、高分子納米材料(聚乙二醇、殼聚糖、聚乳酸等)、聚合物納米纖維等[8]。最近有研究[9]報道納米材料在心臟組織工程中的應(yīng)用主要包括兩個方面:制作可注射材料和心臟貼片治療MI。

2 納米材料在MI中的作用

2.1 ROS清除

MI再灌注后產(chǎn)生過量的ROS,超出機體自身的清除能力,氧化應(yīng)激發(fā)生。ROS可通過與各種生物分子(如脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸)反應(yīng)加重心肌組織的損傷[10]。納米材料清除ROS的機制:納米顆粒負(fù)載ROS清除的藥物或納米材料本身具有抗氧化性能;ROS響應(yīng)式納米顆粒即靶向過量ROS的目標(biāo)位點釋放藥物[11]。

Altshuler等[12]用納米顆粒封裝的SOD(NP-SOD)與游離SOD表現(xiàn)出相似的酶活性,通過鐵細(xì)胞色素C測定法測量。在體外IR模型中,與對照相比,游離SOD和NP-SOD可降低ROS,保持線粒體完整性并提高細(xì)胞活力。Liu等[13]將槲皮素裝載在二氧化硅納米顆粒上,增強激活JAK2/STAT3通路。在IR手術(shù)大鼠模型中,含有納米顆粒的槲皮素組中SOD和谷胱甘肽還原酶增加,抑制氧化應(yīng)激,促進(jìn)心臟血流恢復(fù)。H2O2的大量積累是IR誘導(dǎo)的組織損傷的關(guān)鍵致病機制,Bae等[14]制備新型H2O2響應(yīng)性抗氧化聚合物納米顆粒顯著降低了NADPH氧化酶2和NADPH氧化酶4的表達(dá)水平,有利于減少IR后ROS的生成,有效減輕IR損傷,減小梗死面積,改善心臟功能。

2.2 免疫調(diào)節(jié)和抑制炎癥

AMI后,免疫調(diào)節(jié)在心肌損傷后心臟的修復(fù)過程中起著關(guān)鍵作用。如果免疫細(xì)胞在受損心肌中過度聚集或長期浸潤會加重心肌細(xì)胞損傷和重構(gòu)[15]。納米材料可直接靶向炎性細(xì)胞,控制其數(shù)量、改變其表型或調(diào)控其特定功能,也可提高藥物對炎性細(xì)胞的靶向性,延長藥物在梗死部位的滯留時間或控制藥物的釋放,抑制炎癥反應(yīng),減輕心臟損傷。

巨噬細(xì)胞是炎癥的基本細(xì)胞,分為促炎表型(M1)和抗炎表型(M2)。在炎癥反應(yīng)的早期階段,M1釋放促炎細(xì)胞因子、ROS等,增強吞噬作用;在炎癥消退階段,M2釋放抑制炎癥因子,發(fā)揮抑制炎癥反應(yīng)和組織修復(fù)能力的作用[16]。有試驗[17]已證實抑制巨噬細(xì)胞M1和誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞M2可有效控制炎癥。Kwon等[18]開發(fā)的新型可注射的天然黑色素納米顆粒/水凝膠材料通過PI3K/Akt1/mTOR信號通路誘導(dǎo)M2極化,抑制炎癥反應(yīng)、減少IR損傷。在小鼠MI模型皮內(nèi)注射載有MI相關(guān)抗原和雷帕霉素的脂質(zhì)體納米顆粒,能誘導(dǎo)抗原調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的產(chǎn)生,促進(jìn)修復(fù)性巨噬細(xì)胞的生成,從而減輕炎癥,抑制心肌重構(gòu),改善心臟功能。甲氨蝶呤屬于抗葉酸類化合物,是二氫葉酸還原酶的抑制劑,具有抗炎作用。在大鼠MI模型中,脂質(zhì)納米顆粒作為抗炎藥物甲氨蝶呤的載體,使細(xì)胞對藥物的吸收增加80倍,有效降低M1細(xì)胞數(shù)量、增加抗炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-10的表達(dá)[19]。

2.3 抗心肌細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡與MI后左心室重塑和心力衰竭密切相關(guān)[20]。由于心肌細(xì)胞屬于永久性細(xì)胞,不具有再生能力,故抑制細(xì)胞凋亡、減少MI面積和改善心臟功能,對提高患者生存率具有重要意義。納米材料負(fù)載藥物通過調(diào)節(jié)與凋亡有關(guān)的細(xì)胞信號通路,抑制Bax和caspase-3等基因,進(jìn)而抑制心肌細(xì)胞凋亡。

Sayed等[21]采用樹枝狀聚合物納米載體遞送miRNA,觀察到抑制凋亡的Bcl-2基因表達(dá)增強和誘導(dǎo)凋亡的caspase-3基因表達(dá)減弱。干細(xì)胞是一種多潛能的細(xì)胞,具有自我復(fù)制和分化的能力,但分化程度較低的干細(xì)胞如果直接置于MI部位可能在心肌內(nèi)形成畸胎瘤,且有利的單個細(xì)胞很難留存于梗死部位,但如果將干細(xì)胞用納米顆粒包裹,則能很好地解決這一問題[22]。越來越多的證據(jù)證明,納米材料可促進(jìn)干細(xì)胞增殖和分化,Tang等[23]研發(fā)孔徑極小的納米級P(NIPAM-AA)溫敏材料,利用其獨特的物理性質(zhì),發(fā)現(xiàn)使用P(NIPAM-AA)溫敏材料封裝干細(xì)胞會減少凋亡細(xì)胞數(shù)量,心臟干細(xì)胞也能長期發(fā)揮心臟修復(fù)作用。納米材料通過控制和釋放組織金屬蛋白酶抑制因子3、成纖維細(xì)胞生長因子-2和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1α,激活A(yù)kt和ERK1/2信號通路,從而抑制caspase-3基因介導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡,提供MI后的整體心臟保護(hù)[24]。

2.4 抗心肌纖維化

心肌纖維化時心肌組織中Ⅰ型/Ⅲ型膠原纖維過度沉積,各型膠原比率失調(diào),導(dǎo)致心肌結(jié)構(gòu)紊亂,瘢痕形成,順應(yīng)性下降,心室舒張功能障礙,促進(jìn)不良心血管事件的發(fā)生[25]。納米材料清除轉(zhuǎn)化生長因子-β、IL-11、IL-13和IL-17等各種纖維化因子,從而調(diào)節(jié)促纖維化的微環(huán)境;同時減少肌成纖維細(xì)胞的聚集和纖維組織形成,恢復(fù)心臟功能[26]。

注射細(xì)胞外基質(zhì)金屬蛋白酶誘導(dǎo)劑-順磁性納米顆粒,顯著減少IR豬模型中膠原纖維的沉積,減少Ⅰ型/Ⅲ型膠原纖維的比例和梗死面積,抑制瘢痕形成[27]。Wen等[28]構(gòu)建腎素-血管緊張素系統(tǒng)啟發(fā)的雙配體超分子納米纖維,通過靶向遞送和聯(lián)合治療來反向調(diào)節(jié)腎素-血管緊張素系統(tǒng),抑制心肌分泌促纖維化因子,減少心臟成纖維細(xì)胞的形成和遷移,發(fā)揮保護(hù)受損細(xì)胞的作用。干細(xì)胞具有多分化潛能,能促進(jìn)血管生長、抑制心肌纖維化和改善缺血損傷。Lee等[29]利用來自氧化鐵納米顆粒結(jié)合的間充質(zhì)干細(xì)胞抑制心肌成纖維細(xì)胞的分化,抑制心肌纖維化相關(guān)的轉(zhuǎn)化生長因子-β的表達(dá),增加心肌的存活面積。

2.5 促進(jìn)血管形成

AMI對冠狀動脈微循環(huán)造成巨大損傷,導(dǎo)致MI區(qū)域血管解體和毛細(xì)血管稀薄。MI后的組織修復(fù)是從梗死邊界區(qū)開始并延伸到核心區(qū)的血管生成反應(yīng),新生血管形成與良好的預(yù)后相關(guān)[30]。使用納米結(jié)構(gòu)載體裝載和輸送各種天然和合成的促血管生成物質(zhì),參與血管生成過程的分子機制(信號通路、介質(zhì)和受體),包括VEGF/VEGF受體、血小板衍生生長因子B/血小板衍生生長因子受體-β和血管生成素等,恢復(fù)心肌血運重建和心臟功能[8]。

血管生成肽納米纖維增加大鼠MI模型的VEGF-A和血管生成素1的表達(dá),在無需添加其他衍生分子的條件下,增強心臟血管再生和心臟功能[31]。Li等[32]利用介孔二氧化硅納米顆粒實現(xiàn)miRNA-21-5p按需遞送,增強VEGF的表達(dá)以及與受體的結(jié)合,激活ERK-MAPK信號轉(zhuǎn)導(dǎo),促進(jìn)新生血管的形成。肝細(xì)胞生長因子前體是一種多功能的生物因子,在促進(jìn)血管生成和抗凋亡方面起重要作用。自組裝的超分子納米纖維具備更好激活肝細(xì)胞生長因子前體的能力,激活的肝細(xì)胞生長因子前體與間質(zhì)表皮轉(zhuǎn)化因子Met結(jié)合啟動信號,延長肝細(xì)胞生長因子在梗死區(qū)域的存留時間,更好地發(fā)揮抗凋亡和促進(jìn)血管生成的作用[33]。Sun等[34]利用超順磁性氧化鐵納米顆粒聯(lián)合CD34抗體,提高內(nèi)源性內(nèi)皮祖細(xì)胞在缺血區(qū)域的存留率,實驗發(fā)現(xiàn)小鼠MI部位毛細(xì)血管數(shù)量、微血管密度均高于對照組,表明負(fù)載CD34抗體的超順磁性氧化鐵納米顆粒能有效促進(jìn)心肌血運重建和功能恢復(fù)。

2.6 抗MI相關(guān)心律失常

心律失常在AMI后的發(fā)生率為75%～95%,多發(fā)生在AMI后1～2 d內(nèi),而以24 h發(fā)生率最高,可引起心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)的紊亂,甚至導(dǎo)致心搏驟停、猝死。納米材料促進(jìn)電整合,恢復(fù)電傳導(dǎo),有助于恢復(fù)MI區(qū)域的同步收縮。

Lagonegro等[35]在大鼠左心室梗死區(qū)域的局部多次注射納米線,恢復(fù)了心電圖參數(shù)和脈沖傳播,未來在進(jìn)一步評估后可用于臨床治療。大多數(shù)合成水凝膠機械性能較弱,缺乏導(dǎo)電性能,如果加入石墨烯可賦予水凝膠材料所需的導(dǎo)電性,Zhou等[36]制備了加入氧化石墨烯納米顆粒的導(dǎo)電水凝膠,通過激活典型Wnt信號通路,在健康心肌與瘢痕心肌細(xì)胞之間提供機械支持和電轉(zhuǎn)導(dǎo),促進(jìn)了Ca2+信號轉(zhuǎn)導(dǎo),從而上調(diào)Cx43和間隙連接相關(guān)蛋白的生成。Zhao等[37]開發(fā)還原氧化石墨烯功能材料,MI模型大鼠通過電刺激誘導(dǎo)心室顫動,還原氧化石墨烯組梗死區(qū)域內(nèi)和周圍的電網(wǎng)絡(luò)部分重建,使正常電信號從非梗死心肌快速傳播,糾正心律失常。

Wang等[38]制造了一種新型混合水凝膠,它具有可拉伸性和出色的各向異性導(dǎo)電性,團(tuán)隊成功地用這種水凝膠做治療性心臟貼片,其誘導(dǎo)培養(yǎng)的心肌細(xì)胞呈細(xì)長形態(tài),實現(xiàn)電信號的穩(wěn)定定向傳輸并減輕MI。Yu等[39]通過動態(tài)共價/非共價交聯(lián)開發(fā)出一種可注射的心臟貼片,心臟貼片可在梗死區(qū)建立電傳導(dǎo),以增加電傳播的速度和幅度,實現(xiàn)瘢痕組織的同時電激活。

3 總結(jié)與展望

納米材料具有多重作用:(1)可作為藥物載體將藥物靶向輸送到心肌損傷部位,減少藥物對正常組織的損害;(2)在藥物遞送過程中保持完整性和生物活性,實現(xiàn)藥物的控制性釋放,減少藥物毒副作用;(3)具有緩釋功能,改變藥物的半衰期,延長藥物的作用時間;(4)協(xié)助藥物調(diào)節(jié)細(xì)胞信號通路,改善心肌細(xì)胞代謝,增強心臟功能,改善心室重塑。納米材料自身也具有抗氧化、免疫調(diào)節(jié)作用,可實現(xiàn)對心臟的保護(hù),修復(fù)受損的心肌細(xì)胞,為MI的有效治療提供更優(yōu)的策略。

納米材料在其應(yīng)用上也存在一定的缺點。首先,各研究在納米材料的特性、有效載荷、給藥方法以及心臟修復(fù)評估方法等方面不太一致。即使在單一研究中,也很難在狹窄的范圍內(nèi)控制合成顆粒的大小等特征。這種顯著的異質(zhì)性會導(dǎo)致重復(fù)實驗或在不同條件下觀測結(jié)果的差異。其次,納米載體體內(nèi)清除率低,可能存在長期的潛在毒性,誘導(dǎo)細(xì)胞毒性,需更多的研究來開發(fā)穩(wěn)定有效的納米材料[40]。最后,目前有關(guān)納米材料的研究都處于臨床前實驗階段,各種動物模型不能充分模擬人體的狀態(tài),因此需大量的臨床試驗予以證實,后續(xù)有待進(jìn)一步探索。