冠狀動脈疾?。?/span>CAD)是臨床常見的缺血性心臟病心力衰竭的主要原因之一,死亡率逐年上升,通過經(jīng)皮冠狀動脈介入治療(PCI)及時恢復(fù)缺血心肌血流是挽救垂死心肌細胞、最大限度減少心肌梗死(MI)范圍、降低死亡率的有效手段。然而,心肌缺血-再灌注損傷(MIRI)涉及多種病理生理過程,例如細胞凋亡、線粒體損傷、氧化應(yīng)激和內(nèi)皮細胞功能障礙,因此,探索有效減輕心肌細胞凋亡、氧化應(yīng)激、促進缺血性血管新生的綜合治療策略,對損傷后心肌組織的修復(fù)具有重要意義。
針對上述問題,暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院(華僑醫(yī)院)的羅良平教授團隊設(shè)計了一種可注射的導(dǎo)電水凝膠,該水凝膠響應(yīng)于缺血損傷的弱酸性微環(huán)境,能夠智能釋放二甲雙胍和外泌體,以增強MIRI后的心臟修復(fù)。這種多功能水凝膠具有自我修復(fù)特性,在細胞水平上,該水凝膠系統(tǒng)表現(xiàn)出顯著的抗氧化、抗凋亡、改善電生理特性、線粒體保護和血管生成作用,轉(zhuǎn)錄組測序顯示了PI 3 K/AKT、VEGF,體內(nèi)研究進一步證實,水凝膠治療減少了梗死面積、心臟纖維化和心律失常的發(fā)生率,同時改善了心室射血分數(shù)并促進了MIRI后心臟功能的恢復(fù)。為增強心臟修復(fù)和治療MIRI提供了一種有前途的新型治療方法。該文章于2025年2月18日以《Injectable pH Responsive Conductive Hydrogel for Intelligent Delivery of Metformin and Exosomes to Enhance Cardiac Repair after Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury》為題發(fā)表于《Advance Science》(DOI::10.1002/advs.202410590)。
摘要圖 | 研究示意圖
(1) 水凝膠的制備與表征
該研究從骨髓間充質(zhì)干細胞(MSCs)中提取外泌體(Exos),并將其與二甲雙胍(Met)、氧化透明質(zhì)酸(OHA)、肼化膠原(Col-CDH)以及多壁碳納米管(MWCNT)共同構(gòu)建可注射水凝膠(圖1a)。TEM圖顯示Exos呈典型雙層膜結(jié)構(gòu),粒徑集中在125.1 nm(圖1b, 1c),Western blot證實其表達CD9、CD63和TSG101(圖1d)。共孵育實驗顯示Exos可被心肌細胞和內(nèi)皮細胞攝取。材料方面,OHA由高碘酸氧化HA得到,F(xiàn)TIR中1730 cm-1峰證實了醛基形成。Col-CDH通過NHS/EDC法修飾膠原蛋白,引入肼基,F(xiàn)TIR與1H NMR均證實修飾成功(圖1e, 1f)。OHA與Col-CDH交聯(lián)形成水凝膠,并通過席夫堿鍵加載藥物與Exos。SEM觀察到凝膠結(jié)構(gòu)多孔且致密(圖1g)。凝膠時間隨組分濃度升高而縮短,10%濃度條件下約為20秒,適合注射應(yīng)用(圖1h)。藥物釋放實驗表明,該水凝膠在pH 6.8與7.4環(huán)境下均有快速起始釋放,后期趨于穩(wěn)定(圖1i, 1j)。在酸性心肌缺血微環(huán)境中,席夫堿鍵易解離,促進Met和Exos智能釋放。Met釋放更快,利于早期抗氧化抗凋亡,Exos持續(xù)釋放,有助于后期血管生成與修復(fù)。動物實驗結(jié)果顯示,包載Exos的水凝膠在體內(nèi)具有良好的滯留性和穩(wěn)定性,14天后仍可檢測到生物發(fā)光信號(圖1k),遠優(yōu)于裸Exos組。
圖1.(a)骨髓間充質(zhì)干細胞外泌體提取及水凝膠系統(tǒng)合成的示意圖;(b)MSC-Exos的透射電鏡(TEM)圖像;(c)MSC-Exos的粒徑分布圖;(d)外泌體中CD9、CD63和TSG101蛋白表達的Western blot圖像;(e)HA、OHA、Col、Col-CDH和OHA/Col-CDH的傅里葉變換紅外光譜(FTIR);(f)HA、OHA、Col和Col-CDH的氫核磁共振(1H NMR)譜圖;(g)水凝膠的掃描電鏡(SEM)圖像;(h)“試管倒置法”展示的水凝膠成型圖示;(i)水凝膠中二甲雙胍釋放曲線;(j)水凝膠中外泌體釋放曲線;(k)通過生物發(fā)光成像技術(shù)追蹤外泌體在體內(nèi)的分布軌跡
(2)水凝膠的多功能性質(zhì)
圖2a顯示,所有水凝膠在48小時內(nèi)達到吸水平衡,MWCNT濃度越高,膨脹率越低。其中,OHA/Col-CDH膨脹率最高,OHA/Col-CDH/MWCNT-0.5最低。適度的膨脹行為有助于其在體內(nèi)封閉空間中的應(yīng)用。圖2b表明,所有水凝膠在含膠原酶的PBS(pH 7.4)中21天內(nèi)可完全降解,有利于藥物和外泌體的持續(xù)釋放。流變性能方面(圖2c–f),水凝膠在低應(yīng)變下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,當應(yīng)變超過臨界點,儲能模量G′低于損耗模量G″,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)崩解,表現(xiàn)出剪切變稀特性(圖2d),這有利于注射。交替應(yīng)變測試顯示水凝膠具良好的自愈性能(圖2e)。時間掃描結(jié)果(圖2f)顯示G′始終大于G″,說明水凝膠可迅速形成穩(wěn)定交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)電性方面,MWCNT的引入顯著提高水凝膠導(dǎo)電率(圖2g)。OHA/Col-CDH/MWCNT-0.1與-0.2的導(dǎo)電性(約10?? S/cm)與天然心肌相當。電化學(xué)測試(圖S3)顯示MWCNT增強了紅氧對峰及電容性,表明其有利于心臟電信號傳導(dǎo)。圖2h顯示,水凝膠彈性模量隨交聯(lián)密度升高而增強,其中OHA/Col-CDH/MWCNT-0.2的彈性模量(38 kPa)處于天然心肌(11.9–46.2 kPa)范圍內(nèi)。綜合考慮力學(xué)、流變與導(dǎo)電性能,OHA/Col-CDH/MWCNT-0.2被選為后續(xù)體內(nèi)外實驗用水凝膠。
圖2.(a)水凝膠的溶脹曲線.(b)水凝膠的降解曲線. c)水凝膠在不同振蕩應(yīng)變下的儲能模量(G′)和損耗模量(G″).(d)水凝膠中粘度和剪切速率之間的關(guān)系. (e)水凝膠在經(jīng)受交替應(yīng)變時的自修復(fù)能力. (f)在時間上進行的流變學(xué)評估-水凝膠的掃描模式。(g)水凝膠的電導(dǎo)率。(h)水凝膠的彈性模量
(3)水凝膠處理系統(tǒng)的抗凋亡、抗氧化和線粒體保護作用
圖3a展示了二甲雙胍與MSC外泌體聯(lián)合構(gòu)建的水凝膠在緩解心肌缺血再灌注損傷(MIRI)中的作用機制。通過構(gòu)建H/R體外模型,評估了不同處理對細胞凋亡與ROS水平的影響。流式細胞術(shù)與熒光成像結(jié)果(圖3c,d,e,f)顯示,Met+Exo+Gel組可顯著抑制心肌細胞凋亡,表現(xiàn)為TUNEL陽性率降低,Bcl-2上調(diào)、Bax下調(diào)(圖3b)。同時,該水凝膠還顯著降低ROS水平。DCFH-DA檢測與共聚焦顯微鏡觀察顯示,Met+Exo+Gel組綠熒光強度最低(圖3g–j),表明ROS生成被顯著抑制。水凝膠通過減少氧化應(yīng)激,有效緩解MIRI過程中的細胞損傷。線粒體保護方面,JC-1染色結(jié)果顯示,Met+Exo+Gel組能顯著恢復(fù)H/R誘導(dǎo)的線粒體膜電位喪失(圖3k,l);TEM圖像亦顯示該組線粒體結(jié)構(gòu)保存良好,腫脹和嵴破壞現(xiàn)象顯著減少(圖3m)。進一步的Western blot分析發(fā)現(xiàn),Met+Exo+Gel顯著激活A(yù)MPK/PGC1α通路,促進線粒體生物合成,并上調(diào)融合蛋白MFN2,抑制裂變蛋白DRP1(圖3b),有助于線粒體動態(tài)平衡和功能恢復(fù)。值得注意的是,Exo+Gel組也上調(diào)了PGC1α、MFN2和AKT,說明MSC外泌體中含有多種活性成分,具有促進細胞間通訊和增強線粒體修復(fù)的潛力。綜上,Met與Exos協(xié)同構(gòu)建的水凝膠在抑制凋亡、降低氧化應(yīng)激及保護線粒體方面表現(xiàn)出顯著治療效果,適用于MIRI治療。
圖3.(a)水凝膠系統(tǒng)在抗凋亡、抗氧化及線粒體保護機制方面的示意圖;(b)各組中Bcl-2、Bax、AMPKα、PGC1α、DRP1和MFN2蛋白的表達水平;(c)各組細胞凋亡的流式細胞術(shù)圖像;(d)各組細胞凋亡程度的定量分析(流式細胞術(shù));(e)各組TUNEL染色圖像,通過熒光顯微鏡觀察;(f)各組TUNEL陽性細胞比例的定量分析(熒光成像);(g)各組DCFH-DA探針檢測ROS的流式細胞術(shù)圖像;(h)各組細胞ROS水平的定量分析(流式細胞術(shù));(i)各組DCFH-DA熒光探針檢測ROS的共聚焦顯微鏡圖像;(j)各組ROS陽性細胞比例的定量分析(共聚焦成像);(k)各組JC-1染色線粒體膜電位的代表性熒光圖像;(l)JC-1綠熒光強度比值的定量分析;(m)不同處理組線粒體的透射電鏡(TEM)圖像
(4)水凝膠處理系統(tǒng)改善心肌細胞電生理特性的研究
新生大鼠心肌細胞(NRCMs)依賴細胞內(nèi)鈣信號節(jié)律性收縮。為評估導(dǎo)電水凝膠對其收縮和電生理功能的影響,采用Fluo-4熒光鈣探針檢測瞬時胞內(nèi)Ca2+變化。結(jié)果顯示,H/R組缺乏明顯電活動和收縮,而Met+Exo+Gel組顯著增強Ca2+傳播,表現(xiàn)為峰值上升時間縮短和頻率提高(圖4a, e, f),表明水凝膠可改善鈣信號傳導(dǎo),促進心肌電活動恢復(fù)。α-actin是心肌成熟的關(guān)鍵蛋白,Cx43是介導(dǎo)心肌細胞間信號傳導(dǎo)的主要縫隙連接蛋白。免疫熒光和Western blot檢測顯示,導(dǎo)電水凝膠組心肌細胞中α-actin肌節(jié)更密集,Cx43表達增強,且定位于細胞膜間(圖4b–d, g, h)。Met+Exo+Gel組效果尤為顯著,提示其有助于細胞電耦合和同步收縮。此外,整合素信號通路也參與水凝膠介導(dǎo)的心肌修復(fù)。Western blot結(jié)果(圖4d)顯示,導(dǎo)電水凝膠組顯著上調(diào)整合素α5、β1及下游ILK、AKT表達,尤其在含Exo組中更為明顯。這可能歸因于MSC-Exos激活PI3K/AKT信號通路,進而調(diào)控Cx43表達,增強細胞間電連接。綜上,導(dǎo)電水凝膠通過增強Ca2?傳導(dǎo)、激活整合素-ILK-AKT通路和上調(diào)α-actin與Cx43表達,促進心肌細胞耦合與同步收縮,展現(xiàn)出良好的心臟電生理修復(fù)潛力。
圖4. (a)來自不同實驗組的NRCM中鈣瞬變和相應(yīng)的Ca 2+頻率信號的檢查。(b)來自α不同實驗組的NRCM中α-肌動蛋白的免疫染色。(c)來自不同實驗組的NRCM中Cx 43的免疫染色。(d)整聯(lián)蛋白α5、整聯(lián)蛋白β1、ILK、AKT、α-肌動蛋白和Cx43的蛋白質(zhì)表達水平。(e)定量分析鈣瞬時參數(shù),集中于每5秒記錄的峰頻率。(f)定量分析鈣瞬時參數(shù),集中于到達峰的時間。(g)定量分析-肌動蛋白的熒光強度α。(h)定量分析Cx43的熒光強度
(5)水凝膠處理體系的促滲成管效應(yīng)
有效修復(fù)心肌缺血再灌注損傷(MIRI)通常需在梗死邊緣啟動血管新生反應(yīng),逐步向中心擴展,形成密集毛細血管網(wǎng)絡(luò),以滿足代謝需求并防止心肌細胞進一步壞死(圖5a)。該研究在HUVEC構(gòu)建H/R模型,評估水凝膠系統(tǒng)對細胞遷移與血管生成的促進作用。劃痕實驗結(jié)果(圖5b)顯示,含MSC-Exos的水凝膠組(Exo+Gel、Met+Exo+Gel)在12小時內(nèi)顯著促進細胞遷移,36小時后幾乎完全愈合,而不含Exos的組效果有限。細胞遷移速率定量數(shù)據(jù)(圖5f)與之吻合。Transwell實驗亦表明,Exo+Gel與Met+Exo+Gel組顯著提升細胞遷移能力(圖5c)。血管生成方面,管腔形成實驗表明,含MSC-Exos的水凝膠可顯著促進血管結(jié)構(gòu)生成,表現(xiàn)為結(jié)點、分支數(shù)明顯增加(圖5d, g–i)。Met+Exo+Gel組的管腔生成能力優(yōu)于單用Exos組,可能與二甲雙胍激活A(yù)MPK、減輕內(nèi)皮細胞氧化應(yīng)激相關(guān)。此外,Western blot分析(圖5e)顯示,Exo+Gel與Met+Exo+Gel組HUVEC中AKT、CD105和VEGF蛋白水平顯著升高。CD105是新生血管標志,VEGF是血管生成關(guān)鍵因子,AKT通路則調(diào)控內(nèi)皮細胞增殖與遷移。結(jié)果表明,MSC-Exos與二甲雙胍協(xié)同可激活VEGF/AKT信號通路,增強內(nèi)皮細胞活性,促進新血管生成,具有良好治療潛力。
圖5. (a)水凝膠系統(tǒng)促進遷移和血管生成的示意圖。(b)與水凝膠系統(tǒng)的組分一起培養(yǎng)0、12、24和36小時的HUVEC的代表性圖像。(c)與水凝膠組分一起培養(yǎng)的HUVEC的Transwell圖像。(d)體外HUVEC形成管的圖像。(e)AKT、VEGF和CD 105的蛋白表達水平。(f)12、24和36小時傷口細胞遷移率的線圖。(g-i)不同水凝膠組的節(jié)點(g)、連接(h)和分支(i)的數(shù)量的定量結(jié)果
(6)通過RNA測序探索Metabolites/Exosome負載水凝膠系統(tǒng)的潛在機制
為進一步探究多功能水凝膠系統(tǒng)(含二甲雙胍與外泌體)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控機制,研究團隊對H/R處理的H9c2細胞進行了RNA測序(圖6a)。結(jié)果顯示,H/R組相比對照組共檢出2977個差異表達基因(DEGs),其中上調(diào)1377個,下調(diào)1600個;而Met+Exo+Gel組相較H/R組有2527個DEGs,上調(diào)2084個,下調(diào)443個(圖6b, 6c),說明該水凝膠系統(tǒng)顯著調(diào)控大量基因表達。GO分析發(fā)現(xiàn),H/R組上調(diào)基因與凋亡相關(guān),下調(diào)基因涉及細胞周期與染色體分離(圖S5),驗證H/R促進細胞凋亡并抑制增殖。而Met+Exo+Gel組則顯著富集于細胞生長、血管生成與抗氧化通路(圖6d)。KEGG分析顯示,H/R組基因富集于mTOR、TGF-β、ROS及凋亡等致病通路(圖S6),而Met+Exo+Gel組則上調(diào)AMPK、自噬、VEGF等修復(fù)相關(guān)通路,下調(diào)凋亡與氧化應(yīng)激通路(圖6e),表明其具有抗凋亡、抗氧化及促血管生成的作用。GSEA進一步證實,該水凝膠系統(tǒng)激活多種關(guān)鍵通路,包括:凋亡(圖6f)、內(nèi)皮遷移(圖6g)、細胞發(fā)育(圖6h)、化學(xué)致癌/ROS(圖6i)、血管生成(圖6j)、PI3K-AKT(圖6k)、AMPK(圖S7)和VEGF(圖S8)等。綜上,RNA-seq結(jié)果揭示該系統(tǒng)通過多條機制改善心肌細胞功能、促進修復(fù),為MIRI治療提供了有力的生物信息學(xué)支持。
圖6.(a)不同處理條件下基因表達水平的熱圖,每組均設(shè)有三個生物學(xué)重復(fù);(b)對照組與缺氧復(fù)氧(H/R)組間差異表達基因(DEGs)的火山圖,展示上下調(diào)基因;(c)Met+Exo+Gel組與H/R組間DEGs的火山圖;d)Met+Exo+Gel組與H/R組間DEGs的GO功能富集分析;(e)Met+Exo+Gel組與H/R組間DEGs的KEGG通路富集分析;(f)Met+Exo+Gel組與H/R組之間的細胞凋亡信號通路的GSEA分析;(g)血管內(nèi)皮細胞遷移相關(guān)的GSEA分析;(h)發(fā)育相關(guān)細胞生長的GSEA分析;(i)化學(xué)致癌物-活性氧相關(guān)通路的GSEA分析;(j)血管生成的GSEA分析;(k)PI3K-AKT信號通路的GSEA分析
(7)多功能水凝膠治療系統(tǒng)的體內(nèi)療效評價
大鼠隨機分為六組:Sham、MIRI、Gel、Met+Gel、Exo+Gel、Met+Exo+Gel。注射水凝膠4周后,通過超聲M型成像檢測心功能,結(jié)合HE染色進行組織分析(圖7a)。超聲結(jié)果顯示,MIRI組EF、FS顯著下降,LVIDd、LVIDs、EDV和ESV明顯升高,提示心功能受損與左室重構(gòu)(圖7b, 7f–i)。相比之下,含水凝膠治療組上述參數(shù)均顯著改善,說明水凝膠提供了機械支撐與導(dǎo)電調(diào)控。其中,Met+Gel和Exo+Gel組EF與FS優(yōu)于Gel組,表明二甲雙胍與MSC-Exos均具獨立治療作用。Met+Exo+Gel組改善最顯著,提示兩者具有協(xié)同效果。組織學(xué)分析表明,MIRI組心肌萎縮、壁變薄、纖維化嚴重,膠原沉積明顯(圖7c)。水凝膠治療組心室壁厚度增加,膠原含量減少(圖7d, 7e),改善心肌結(jié)構(gòu)重建。Met+Exo+Gel組表現(xiàn)出最厚的左心室梗死壁和最小的梗死面積,可能與其聯(lián)合抗ROS和抗凋亡作用有關(guān)。綜上,含二甲雙胍與MSC-Exos的多功能水凝膠可顯著改善心功能、減少梗死面積并促進心肌重構(gòu),具有良好的MIRI治療潛力。
圖7. ( a)顯示28天過程中MIRI誘導(dǎo)、水凝膠注射、心臟功能評價和病理學(xué)檢查的時間軸的示意圖。(b)每組的代表性超聲心動圖圖像。(c)梗塞區(qū)域的HE和Masson染色。高放大率圖像取自低放大率圖像的黑盒(d,e)定量分析各組治療后梗死面積(d)和纖維化面積(e)。(f-i)治療后超聲心動圖測定心功能指標,包括EF(f)、FS(g)、ESV(h)、EDV(i)
(8)多功能水凝膠在體內(nèi)抗凋亡、促進細胞增殖和心臟特異性標志物表達的作用
在MIRI發(fā)病機制中,心肌微環(huán)境會產(chǎn)生大量活性氧(ROS),若未能及時清除,將導(dǎo)致心肌細胞凋亡。采用TUNEL染色檢測心肌細胞凋亡。所有水凝膠處理組在術(shù)后第3天均減少了細胞凋亡,Met+Gel、Exo+Gel和Met+Exo+Gel組凋亡率顯著低于MIRI組,其中Met+Exo+Gel組效果最顯著(圖8a, 8c)。為了評估水凝膠對心肌細胞增殖和功能恢復(fù)的促進作用,研究通過免疫熒光共定位檢測cTnT(心肌特異性)、Ki67(增殖標志)與α-actin(結(jié)構(gòu)蛋白)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),部分cTnT陽性細胞共表達Ki67,提示心肌細胞處于增殖狀態(tài),且這些細胞中α-actin表達水平較高,表明心肌肌節(jié)結(jié)構(gòu)正在重建(圖8b, 8d, 8e)。Met+Gel、Exo+Gel和Met+Exo+Gel組中Ki67與α-actin的表達水平均明顯上升。綜上,二甲雙胍和MSC-Exos協(xié)同作用可減少ROS與心肌凋亡,同時促進心肌細胞增殖和結(jié)構(gòu)重建,雖心肌再生尚需進一步驗證,但其在心功能修復(fù)中具有潛在價值。
圖8. (a)3天后通過不同處理的損傷區(qū)域的代表性TUNEL染色圖像。(b)4周后通過不同處理的損傷區(qū)域中Ki 67、β-肌動蛋白和c-TnT三色染色的免疫熒光圖像。(c-e)TUNEL(c)、Ki 67(d)和β-肌動蛋白(e)的定量分析
(9)評價多功能水凝膠在體內(nèi)改善心肌傳導(dǎo)和降低對室性心律失常的易感性的作用
Cx43 是心肌中關(guān)鍵的縫隙連接蛋白,負責(zé)電信號耦合,確保心肌細胞同步收縮、維持正常心功能。為評估導(dǎo)電水凝膠在體內(nèi)對電信號傳導(dǎo)的影響,該研究對心肌組織進行了Cx43免疫熒光染色。結(jié)果顯示,所有水凝膠處理組中,受損區(qū)域的Cx43表達均顯著高于MIRI組,尤以Met+Exo+Gel組最為顯著(圖9a, 9c),提示該聯(lián)合治療在促進電信號恢復(fù)方面具有顯著優(yōu)勢。進一步通過程控電刺激(PES)評估水凝膠對心律失常的防治作用。4周后,MIRI組在S1刺激后即出現(xiàn)持續(xù)性室性心動過速(VT),而水凝膠組主要表現(xiàn)為短暫的室性早搏(PVC),尤其Met+Exo+Gel組僅在S4后偶發(fā)非持續(xù)性PVC(圖9b, 9d)。水凝膠顯著降低心律失常誘發(fā)率,說明其可改善電活動穩(wěn)定性。上述效果歸因于MWCNT賦予水凝膠優(yōu)異導(dǎo)電性,有助于重建損傷區(qū)域與周圍健康組織間的電信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò),促進電信號在心肌組織中的快速傳播,從而降低心律失常風(fēng)險,恢復(fù)心臟電生理功能。
圖9.(a)28天后通過不同處理的損傷、邊緣和遠端區(qū)域的代表性Cx43染色圖像。(b)注射后4周PES誘導(dǎo)的心律失常的ECG。c)損傷區(qū)域中Cx43的定量分析。d)心律失常敏感性由誘發(fā)商確定。S1:8次爆發(fā)刺激; S2:單次額外刺激; S3:雙次額外刺激; S4:三次額外刺激。VT:室性心動過速; PVC:室性早搏
(10)評價多功能水凝膠對體內(nèi)血管生成的影響
心肌損傷后,重建受損區(qū)域的血管系統(tǒng)對恢復(fù)心功能至關(guān)重要。通過促進血管新生,可有效改善局部氧氣與營養(yǎng)供應(yīng)。本研究采用α-SMA(成熟小動脈標志)、vWF(微血管標志)和CD31(內(nèi)皮細胞標志)對心肌組織進行免疫染色,以評估各組治療后血管新生情況。如圖10a、10b所示,術(shù)后4周,MIRI組血管新生水平較低,可能與心臟代償機制相關(guān)。而各水凝膠處理組均表現(xiàn)出顯著的血管生成能力,尤以含MSC-Exos組最為顯著,表明外泌體在體內(nèi)具有良好的促血管生成作用,這一結(jié)論與前期體外實驗結(jié)果一致。進一步對CD31(圖10c)、α-SMA(圖10d)和vWF(圖10e)陽性血管的密度進行定量分析,結(jié)果顯示Met+Exo+Gel組在新血管數(shù)量上明顯優(yōu)于其他組,提示該水凝膠系統(tǒng)不僅可促進細胞增殖,還能有效募集內(nèi)皮細胞至損傷區(qū)域,加速血管網(wǎng)絡(luò)重建。綜上所述,多功能水凝膠通過外泌體介導(dǎo)的促血管生成作用,有效增強心肌組織的血管化過程,為MIRI治療提供了有前景的治療策略。
圖10.(a)4周后通過不同處理的損傷區(qū)域中的CD 31染色的免疫熒光圖像。(b)4α周后通過不同處理的損傷區(qū)域中的-SMA和vWF雙重染色的免疫熒光圖像。(c-e)損傷區(qū)域中CD 31陽性血管(c)、α-SMA陽性血管(d)和vWF陽性血管(e)的定量分析
該研究基于心肌缺血再灌注損傷(MIRI)的病理微環(huán)境特征,開發(fā)出一種新型可注射導(dǎo)電水凝膠,載有二甲雙胍(metformin)和間充質(zhì)干細胞來源外泌體(MSC-Exos),可在心肌缺血微酸性環(huán)境中實現(xiàn)按需釋放。該水凝膠具備穩(wěn)定的三維交聯(lián)結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的生物相容性和可注射性,其電導(dǎo)率和彈性模量與天然心肌組織高度匹配。 體內(nèi)外實驗結(jié)果顯示,水凝膠協(xié)同釋放的二甲雙胍和外泌體能顯著保護線粒體結(jié)構(gòu)與功能,降低細胞ROS水平,抑制凋亡,促進細胞遷移與血管生成,改善電生理特性,并具有良好的生物相容性。轉(zhuǎn)錄組測序顯示,該系統(tǒng)可激活PI3K/AKT、VEGF和AMPK等信號通路,為其抗凋亡和促血管生成作用提供了生物信息學(xué)支持。動物實驗進一步證實,該水凝膠可有效減少梗死面積和心臟纖維化,降低心律失常發(fā)生率,提升射血分數(shù),上調(diào)α-actin、Cx43、Ki67和α-SMA表達,下調(diào)TUNEL表達,從而顯著改善MIRI后的心功能。 綜上,研究提出了一種可注射、pH響應(yīng)性導(dǎo)電水凝膠,實現(xiàn)藥物與生物活性物質(zhì)的智能釋放,為MIRI的治療提供了一種有前景的新型策略。
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