可降解材料在治疗心肌梗死中的新进展

曹雯 综述 马翔 审校

(新疆医科大学第一附属医院，新疆乌鲁木齐830011)

随着人口老龄化，心血管疾病已经严重威胁人类的健康，其中，心力衰竭以及心肌梗死是造成较高病死率的主要原因。心肌梗死后，各种炎症反应导致瘢痕组织形成，左室壁重塑，心室壁变薄进而发展为不可逆的心力衰竭。因此，如何修复心肌或者使受损心肌细胞再生已成为医学领域研究的热点，而组织工程技术在该方面表现出了巨大的潜力。所谓组织工程是指利用细胞、生物材料或者是其他生长因子，修复或者替代受损的组织、器官。如果能将组织工程技术推广，就有望治疗不可逆心肌损伤、心力衰竭进而提高成千上万患者的生存率和生活质量。有研究人员[1]提出将不同种类的干细胞经静脉、冠状动脉注射进入心脏或者直接注入心肌组织来治疗心肌梗死，但效果并不理想，主要原因基于细胞不能永久地存在于靶器官且细胞的存活率较低。不久，组织工程与再生医学提出了一些治疗心肌梗死的其他方法，其中较为推崇的是注射可降解生物材料或用该材料与其他细胞、生长因子联合共同治疗心肌梗死。现将一些常用的，包括纤维蛋白、胶原、藻酸盐以及透明质酸等这些天然材料的新进展做一综述。

1 纤维蛋白

纤维蛋白支架是由两部分组成，一部分是纤维蛋白原与抑肽酶，另一部分是凝血酶与氯化钙，两部分等体积混合后，即可成为纤维蛋白[2]，成品为胶冻状并有一定的弹性，纤维蛋白原的浓度不同，其组织密度和机械强度也不同。Christman等[3]首次将纤维蛋白注射入左前降支结扎后的小鼠左心室内，5周后观察，梗死心肌有新生血管形成，梗死区的血流增多，梗死面积减小，同时改善了心功能，减缓了心力衰竭的发生，体外实验证实这可能与纤维蛋白碎片E和精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸有关，上述两种成分可促进细胞的增殖、迁移以及分化等[4]。将各种细胞，如:脂肪干细胞[5]、间叶干细胞[6]、骨骼肌细胞[3]等与纤维蛋白联合后，提高了植入细胞的成活率，同时诱导心肌内新生血管的再生，进一步证实了纤维蛋白胶的组织相容性、安全性。虽然，纤维蛋白胶可能具有发生免疫反应以及可传播病原体等不良反应，但仍然是一种具有应用价值的支架材料。

2 透明质酸

透明质酸是一种新型材料，哺乳动物细胞外基质中的线性黏多糖高聚物、细胞内的透明质酸合酶参与了透明质酸的合成。透明质酸可维持细胞的结构同时可以调节细胞的生命代谢，修复创伤部位，促进伤口的愈合，因此与其他可降解材料相比，透明质酸的细胞相容性更好、嵌合度高、液态下pH值和温度都接近正常生理水平，不具有细胞毒性等特点。在细胞培养方面，其中的某些成分对各种细胞的生长具有较好的营养作用。透明质酸最具代表性的方面是可塑性强，并可以与其他生长因子结合成为减慢左心室重塑的新型材料。

体内试验，Ifkovits等[7]通过建立大鼠心肌梗死模型后，在心外膜表面注射50 μL的透明质酸，结果显示与对照组相比，实验组心脏的射血分数增加，心室壁的厚度增加，同时发现在注射透明质酸的部位有新生血管的生成。同时还可以通过改变凝胶中的成分，得到异丁烯酸透明质酸 (MeHA)和羟乙基甲基丙烯酸酯透明质酸(HeMA)这两种具有不同特性的材料。为了进一步区别两种透明质酸的不同，Tous等[8]利用羊的心肌梗死模型，进一步比较HeMA、MeHA的区别，实验结果证实，与HeMA相比，MeHA凝固时间较快且弹力较高。

近期，有学者将透明质酸与骨髓干细胞混合，植入心肌梗死模型后，发现透明质酸的凝固速度较为稳定，而且，凝固时间与纤维蛋白胶相比较长，为操作时提供了充足的时间保证，故可作为一个良好的载体，将外源性的物质导入体内[9]。但也有研究表明[10]，高浓度的透明质酸会诱导细胞的过度增殖与分化，进一步导致恶性肿瘤的发生，但该机制至今还不明了。虽然，透明质酸有致肿瘤的危险，但是，作为一种新型的生物材料，单独使用、联合细胞或者生长因子共同治疗心肌梗死的优势还是显而易见的。

3 胶原

胶原普遍存在于人体内，约占人体蛋白总量的30%以上，根据各种胶原分布的不同，将胶原分为19种，它们承担着各种生物体皮肤、血管、骨骼、筋腱、牙齿和软骨等的形成。胶原蛋白Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ和 Ⅺ 是胶原纤维的主要原料，胶原分子是由三股α链组成，而每股α链又是由成千上万个以“-甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸-”为单位的肽链组成[11]，这种结构可以保证胶原纤维有较好的弹力强度，良好的生物注射性和生物相容性，可作为细胞培养的三维支架[12];胶原发挥作用的途径是通过细胞外基质，所以它既可作为细胞的支撑，同时又可协助细胞和组织发挥其应有的作用[13];胶原纤维另一个优点就是免疫原性低，植入体内后不宜产生免疫应答而发生排异反应。

将胶原Ⅰ和Ⅲ混合后注射进入梗死心肌，6周后检测心功能，发现心脏的每搏量与对照组相比有明显差别，心室重构并不明显，这是因为注射进入梗死心肌的胶原纤维充当“微支架”的作用，增加了瘢痕的厚度，减弱瘢痕的挛缩，从而进一步抑制了心室的重构[14]。胶原纤维可与其他具有分化功能的细胞混合改善梗死后心脏功能。例如，Kofidis等[15]将骨髓间充质细胞与胶原混合，将胶状物缝合入梗死动物的左心室，结果表明心室壁未变薄，同时也没有出现心室壁动脉瘤的征象。但是，注射进入心肌的胶原纤维中很难发现有新生的血管或者血管内皮细胞的再生，所以这一点限制了胶原纤维的应用范围，因此，改善胶原纤维的密度以及弹力强度，可使其成为可降解材料的首选。

4 藻酸盐水凝胶

藻酸盐是一种由简单的线性多聚糖组成的复合物，可以从海带、马尾藻、巨藻等褐藻类中提取，可充当一种细胞外基质，传递各种药物以及生长因子等。其黏度较好并有一定力学强度，组织相容性较好，进入体内的藻酸盐经过水解作用转化小分子物质后，经过肾脏代谢排出体外[16]。该材料现在已经广泛用于与重建相关的组织工程中。

与其他可降解材料相比，藻酸盐最大的优点是该材料进入血管后不会产生血栓[17]，行冠状动脉内注射，进入冠状动脉内的藻酸盐可以通过血管孔径渗入到周围组织，进入周围组织的藻酸盐可促进细胞向组织的迁移，促进血管再生等;在改善心功能方面，藻酸盐对急性心肌梗死以及陈旧性ST段抬高性心肌梗死均有良好的作用[18]。哺乳动物的细胞与藻酸盐之间缺乏紧密的连接，这成为限制藻酸盐在生物体内广泛应用的主要原因。周志益等[19]将藻酸盐与血管内皮生长因子和血小板生长因子相互混合利用无针喷射心肌打孔技术导入梗死心肌，术后8周，心脏超声造影观察孔道效应，结果显示生长因子凝胶组超声微泡造影剂可沿孔道直接灌注心肌，其余两组未见造影剂经心室腔直接灌注心肌。这种包裹方法可以促进生长因子的缓慢释放，发挥长久的效力。同时，藻酸液可以作为载体治疗慢性疾病，与阿司匹林、氯吡格雷、美托洛尔、胺碘酮等这类药物联合，共同治疗心血管疾病[20]。

5 人工基底膜

人工基底膜来源于鼠类的肿瘤细胞，该物质中含有丰富的黏连蛋白、巢蛋白、Ⅳ型胶原以及硫酸类肝素蛋白多糖[21-22]。人工基底膜主要用于干细胞的培养，其原因可能为肿瘤细胞是干细胞过度增殖而发生的，因此人工基底膜为干细胞培养提供良好微环境。Huang等[23]发现，人工基底膜本身就含有各种生长因子，如碱性成纤维生长因子、上表皮生长素、胰岛素生长因子-1、血小板生长因子、转化生长因子，将其移植入梗死心肌后发现，这种材料可以促进血管的再生与内皮细胞的迁移;直接将液体状人工基底膜注射进入已结扎的左前降支的梗死心肌内4周后，发现心脏射血分数增高，左室壁的厚度增加，但是，与注射胶原蛋白组相比瘢痕处的心肌厚度没有发生明显变化。Ou等[24]的研究进一步证实了人工基底膜改善心功能，减缓心室重塑等作用，同时还发现在注射有人工基底膜水凝胶的部位出现了少数的新生血管和表型为c-kit和CD34+干细胞，这些细胞可以通过旁分泌的作用营养心肌。但是，人工基底膜在组织工程方面的应用上仍然存在一定的不足，如果不能将人工基底膜的密度控制在合适的范围内，当其与细胞混合凝固为胶冻状时，致密的结构在某种程度上限制了细胞的生长、增殖以及对周围组织的修复[25]。另外，人工基底膜是来源于肿瘤组织，不能肯定其会释放造成机体肿瘤形成的因子，随着时间的延长，是否可能造成机体肿瘤的发生，这仍是一个未知的问题。所以，为了进一步确定该材料的可行性，还需要进一步的研究与分析。

6 壳聚糖

壳聚糖是近几年才出现的一种新型的材料，将甲壳类动物的外壳脱酰基化后成为线性结构的糖类，故称作壳聚糖。该生物材料在37℃，10～15 min可凝固为胶冻状。另外，与其他培养细胞的基质相比，壳聚糖的细胞毒性最低并且在4～6周内可以完全降解，这段时间恰恰适合细胞全部进入组织内并且使其完全释放细胞外基质。壳聚糖应用范围很广，不仅应用于心脏修复方面，而且在骨骼以及创伤部位的修复上也起到了很大的作用[26]。

Lu等[27]将壳聚糖与胚胎干细胞混合后，注射到梗死心肌的边缘区，4周后行超声检测发现，心脏收缩/舒张末期心室内径、射血分数、每搏量、梗死区血管均得到了改善，而梗死面积、室壁的厚度与对照组相比均有所下降，并且在移植区内检测到大量的新生血管，这种微环境为细胞的存活提供了丰富的营养。Liu等[28]进一步研究了壳聚糖可以改善细胞存活能力的机制，即当心肌梗死时心肌会产生大量的活性氧，这种活性氧会使移植进入心肌的干细胞大量死亡，而壳聚糖可以有效地清除活性氧，改善了细胞生存的微环境，进一步促进细胞的存活。

对壳聚糖的研究并不多，现有的文献表明，壳聚糖作为一种新型的生物材料，不良反应较少，应用范围较广，因此具有广泛的应用前景。

7 脱细胞支架组织

近10年，脱细胞支架组织作为一种新型的材料在组织工程以及再生医学领域广泛应用。该支架是一种复合物，组成成分与接受移植的对象靶器官的成分基本相同，其中包含了纤维蛋白、胶原以及弹性蛋白等在内的多种蛋白质[29]，所以与单一成分的生物材料相比，该复合支架拥有较多的营养成分。该种材料未注射入靶器官时为液态，注射进入后能够形成纳米纤维状水凝胶，且更致密，黏度更大。

Jennifer获取成熟家猪的心脏经过冲洗、冷冻、加入盐酸以及氢氧化钠等一系列处理后，获得黏稠溶液，此溶液为脱细胞支架水凝胶。将该溶液注射入大鼠梗死心脏内，心功能得到了明显的改善，并且在梗死区域可检测到新生的血管内皮细胞以及募集的少量干细胞[30]。另一种普遍使用的脱细胞支架来源于肠黏膜下层(SIS)，可分为SIS-B和SIS-C，与SIS-C相比，SIS-B的韧性较好且包含了更多的内源性的碱性成纤维生长因子，所以，SIS-B在促进内皮细胞增殖方面的作用明显优于 SIS-C[31]。

脱细胞支架可以自体来源，所以最大的优点在于组织相容性好，受移植者不易产生排斥反应，各种与免疫相关的炎性物质释放相对较少。但是，生物材料来源与制备较困难，所以，这一点限制了其在临床上的应用。

8 角蛋白

角蛋白是一种新型的生物材料，该物质主要是从人的毛发或者动物的皮毛中提炼出来的，因此它具有以下特点:(1)提取的角蛋白可以通过自体组装，合成有渗透能力的支架。注射进入梗死心肌的角蛋白支架，能够起到支撑梗死室壁的作用并且增加室壁的张力[32]。(2)由于角蛋白来自人类的毛发或动物的皮毛，因此细胞对该物质具有较为良好的黏附作用，有利于细胞的增殖[33]。(3)有相关研究显示约有30多种生长因子存在于胶蛋白中，如骨形态蛋白4、转化生长因子-β，神经生长因子等，这些因子都对细胞的生长有很好的促进作用[34]。

最新关于角蛋白的研究证明角蛋白在改善心功能的同时并不出现剧烈的排斥反应，而且注射部位室壁的厚度没有明显变薄[35]。但是，因为角蛋白这种物质出现较晚，并且对其中的各种成分并不是很明确，所以，如果可以更深入的研究该物质，揭示其更明显的优势，便能使其为临床医学服务。

9 展望

缺血坏死后的心肌再生是治疗心肌梗死疾病一个关键的环节，利用可降解材料在治疗心力衰竭以及缺血性心脏病是一个新崛起的领域，作为理想的可降解生物材料应具备以下条件:(1)组织相容性好，不会引起炎症、毒性反应，且无抗原性，不易引起宿主的排异反应;(2)材料的凝固速度可以根据不同细胞不同组织的代谢速度进行调整;(3)材料可以完全被组织吸收，无任何残余;(4)可塑性强，进入体内后可成为一定形状的三维结构;(5)能够携带生长因子或者细胞，有利于心肌细胞的生长;(6)有促进内皮细胞增殖的能力，可以招募一些干细胞参与心肌细胞的修复。

目前只有藻酸盐支架在临床上得到使用，而选择一个恰当的并且效果显著的生物材料用于心肌梗死的修复是一个亟需解决的问题。利用可降解材料治疗心力衰竭以及缺血性心脏病，仍然是我们面临的一个巨大挑战，如果将细胞或者生长因子与可降解生物材料相结合用于治疗缺血性心脏病或者先天性心脏病上，促进心肌细胞的再生，这项突破将对医学的发展和大众的健康产生广泛的影响。

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