水凝胶在心肌组织工程中的研究进展

解锋 钱晓庆 徐志云

上海长海医院心血管外科(解锋，徐志云)，上海交通大学生物医学工程学院(钱晓庆)

·综述·

水凝胶在心肌组织工程中的研究进展

解锋 钱晓庆 徐志云

上海长海医院心血管外科(解锋，徐志云)，上海交通大学生物医学工程学院(钱晓庆)

近年来用于心肌组织工程研究的生物材料不断被广大学者研究和重视起来，水凝胶以其一定的韧性、流变性、良好的生物相容性和可降解性被越来越广泛地应用于心肌组织工程。水凝胶在心室重构、改善心功能等方面都发挥着重要作用。本文以水凝胶在心肌组织工程中的研究进展做一综述。

水凝胶； 心肌组织工程； 生物材料

【Keywords】 Hydrogel； Cardiac tissue engineering； Biomaterial

FundProgram：National Natural Science Foundation of China(81470592)

健康的心肌组织是由心肌细胞、内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞以及心肌中相互作用的细胞外基质构成。细胞与基质之间的规律生长，形成具有高度组织协调性和动态收缩性的组织[1]。这些细胞与细胞外基质相互作用。细胞外基质中有调节干细胞生长、分化和成熟心肌细胞收缩的细胞因子，以及调节细胞有丝分裂的信号因子等[2]。当心脏组织由于心肌梗死遭受破坏，导致细胞死亡，在心肌梗死区，原先井然有序排列的细胞外基质的正常结构也因此丧失[3-4]。近年来人们对心肌梗死的认识和诊疗水平都取得了进步，血管重建术和相关药物的使用很大程度上降低心肌梗死患者的死亡率[5]，但这些措施仍旧难以解决心肌梗死后心肌细胞凋亡这一关键问题。

目前，随着生物材料的快速发展，工程化心肌组织也呈现出蓬勃发展的态势。把具备一定功能的细胞(心肌干细胞、骨髓间充质干细胞、诱导性多能干细胞)、功能生物材料支架或其他生物活性分子(如生长因子、药物等)植入心肌，用以修复或替代功能受损或坏死的心肌组织[6]，即原位构建工程化心肌组织。在所研究的生物材料中，具有三维网络样结构、有一定的韧性和流变性、含水分达95%、可以携带药物或者细胞进行治疗的兼具支架支撑功能的水凝胶，显得尤为重要。本文主要对水凝胶在心肌组织工程中的应用进行了小结。

1 基于聚异丙基丙烯酰胺的温敏性可注射水凝胶

研究发现，温敏性可注射水凝胶在体外一定温度下可以以液体状态存在，在局部注射入心肌组织后，由于温度的变化，可以变为凝胶，从而对坏死受损的心肌组织起到支撑和保护作用，有的温敏性水凝胶还可携带药物或者细胞因子等，进行缓慢释放，从而达到治疗和恢复心肌功能的目的。刘杨等[7]探讨水凝胶携带肾素抑制剂阿利吉仑对心肌梗死后大鼠心室重构的影响，将70只Wistar大鼠随机分成了假手术组、磷酸缓冲液组、磷酸缓冲液+阿利吉仑组、水凝胶组、水凝胶+阿利吉仑组这五组，结果显示温度敏感性水凝胶携带阿利吉仑比单纯应用水凝胶更能改善心肌梗死后大鼠的心室重构，具有协同的心肌保护作用。其可能机制是通过影响基质金属蛋白酶-2(matrix metallopeptidase-2，MMP-2)、基质金属蛋白酶-9 (matrix metallopeptidase-9，MMP-9)、金属蛋白酶组织抑制剂-1(tissue inhibitor of metalloproteinase-1，TIMP-1)的活性及下调转化生长因子-β(transforming growth factor，TGF-β)的表达来影响胶原代谢，减少胶原合成从而改善心室重构及心肌梗死后的心功能。任珊等[8]探讨不同降解时间的聚异丙基丙烯酰胺水凝胶对梗死后心肌组织胶原代谢的影响。他们合成了两种不同降解时间的聚异丙基丙烯酰胺温敏性水凝胶，然后作用于Wistar大鼠的心肌梗死模型。结果表明，这两种水凝胶均能减少胶原在梗死区域的沉积，心肌组织Ⅰ、Ⅲ型胶原的比值也有所下调。该实验表明此种水凝胶可以影响到心肌组织的胶原代谢。他们发现梗死后心肌组织TGF-β1表达明显增加。Navaei等[9]将心肌干细胞、心肌细胞与温敏性嵌物先包裹起来，然后借助带有巯基的明胶形成网络状的携带有心肌细胞的具有治疗作用的温敏型水凝胶。体内外实验表明，该新型水凝胶无论在其韧度、弹性模量方面，还是在保护心肌组织、促进心肌细胞再生方面都表现出了较好的功能。Li等[10]利用聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)、丙烯酸(AAc)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)合成了携带心肌球细胞(CDCs)的温敏性水凝胶，并对其在正常状态(静态)、压力状态(动态)下，进行促进心肌组织再生的实验研究，结果表明，在40 kpa的水凝胶环境下，CDCs的生长和增殖更加快，提示应优先选择40 kpa的水凝胶。

2 基于壳聚糖的可注射水凝胶

壳聚糖是β-(1-4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖和2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖的聚合物，这种聚阳离子的生物二聚体主要从虾、蟹外壳成分几丁质脱乙酰基获得。具有良好的组织相容性、生物可降解性[11]。Chenite等[12]以多元醇甘油磷酸钠为中和试剂，与壳聚糖反应后，得到了pH值中性左右的复合物(壳聚糖-甘油磷酸钠复合物)，该复合物具备温敏性，可在室温或者低于室温时保持液态较长时间，当温度升高到生理体温后可发生凝胶作用，生成水凝胶。徐斌等[13]以氯化壳聚糖为温敏材料，配制了壳聚糖水凝胶，并用于心肌梗死治疗。多普勒心超仪表明壳聚糖水凝胶注射组的左心室梗死壁厚度明显大于PBS注射组和心肌梗死模型组相应厚度；壳聚糖水凝胶注射心肌梗死区后，可改善左心室舒张功能。支架材料还应该具有良好的生物降解性，实验结果显示术后1～2周内可见壳聚糖水凝胶散在分布于心肌梗死部位，并逐步降解，至第4周则未见明显壳聚糖水凝胶样物质，表明所配制材料降解时间在2～4周之间，这一降解时间比较符合可注射性组织工程心肌支架材料的需要。Henning等[14]在没有其他任何交联剂参与作用的情况下，采取了不同浓度的氢氧化钠溶液法和氨气气体法，经过中和至pH值显示为中性后，制备了2种壳聚糖水凝胶，并对他们的性能进行了表征。实验结果表明：只含有壳聚糖、水，没有交联剂和其他有机溶剂的水凝胶被成功制备出来。蒸汽法制备的水凝胶降低了聚合物的平均分子量，却由于其自身凝胶化作用延长了在去离子水中的储存时间。大于2%浓度的溶液制备的水凝胶显示出了更好的物理化学性能和机械力学性质，这表明凝胶的机械力学和强度性质取决于初始溶液的浓度和凝胶化的过程。

3 其他用于心肌组织工程的水凝胶

张建武和陈敏生[15]从干细胞治疗心梗的现状及不足出发，结合心肌梗死后的病理生理变化，开发出了具有抗过氧化保护细胞功能和为干细胞提供三维载体的葛根素水凝胶生物材料，并对其物理化学性能及生物相容性进行表征。采用葛根素水凝胶携带骨髓间充质干细胞(mesenchymal stem cells，MSCs)进行移植治疗心肌梗死模型，观察其对细胞滞留、心功能改善、心室重构的作用和影响。研究发现，2%、4%和6%的葛根素水凝胶可减少H2O2诱导的细胞ROS水平，增加细胞存活。葛根素水凝胶能够提高移植细胞在心梗局部的滞留和存活，促进MSCs改善心功能和心室重构的治疗效果。袁霄和罗素新[16]构建了功能性的自组装肽纳米纤维(SAPNF)水凝胶，这种水凝胶可以与细胞结合，同时注射MSCs和SAPNF能均衡地改善收缩与舒张功能，显微镜可以观察到增加的移植细胞留存率和梗死周围区域的毛细血管密度[17]。自组装肽纳米纤维(SAPNF)水凝胶能够诱导微环境，利于移植细胞的存留和内源性血管细胞的聚集，大大增强了血管生成和心肌再生的能力[18]。华文熙等[19]制备了一种新的基于多巴胺导电冷冻凝胶并研究其对心肌梗死的治疗潜力。凝胶的主要特性是多巴胺使心肌细胞紧密黏附于支架材料上，具有较强的力学特性与弹性模量能够模仿正常心肌的组织特性。在支架材料上培养心肌细胞作为心肌补片被植入到了心肌梗死大鼠模型体内，心肌补片可以显著提高心脏功能，缩小疤痕的范围，从而提高梗死心脏舒张期和收缩期的心室顺应性。白睿和刘惠亮[20]通过对前期脱细胞方法的优化，获得了充足的脱细胞基质材料，并将该材料制备为水凝胶形式，用碳纳米管(CNT)改性，制备了具有更强活性的碳纳米管脱细胞基质水凝胶材料。将CNT-脱细胞基质水凝胶材料分别用于心肌细胞和棕色脂肪干细胞(BADSCs)的体外培养。系统评价了CNT-脱细胞基质水凝胶的生物相容性，并通过心肌相关基因、蛋白的表达评价了复合材料对心肌细胞电活性的影响，观察了材料对BADSCs增殖和向心肌分化的作用。CNT脱细胞基质水凝胶有利于受损心肌的修复，其携带BADSCs能够明显提高细胞在体内的滞留率，并促进BADSCs在体内向心肌的分化。周志益和黄晶[21]制备控释双生长因子藻酸盐水凝胶载体并检测其理化性能，并用于无针喷射心肌打孔，通过影像学及组织病理学方法检测其孔道效应，观察梗死心肌局部填充凝胶对左室重塑及心功能的影响。实验发现，控释双生长因子藻酸盐水凝胶具有较快的体内外降解速度、对细胞活性无明显影响、适合作为孔道填充物、ECM类似物。梗死心肌局部填充控释双生长因子藻酸盐水凝胶可以增加瘫痕厚度，增加微血管及小动脉密度，改善心功能。

Wang等[22]将聚醚酰亚胺 (PEI)与β-环糊精连接后得到衍生物(CD-PEI)，后又用PEG与金刚烷胺相互链接(Ad-PEG)，利用β-环糊精与金刚烷的主客体化学反应，包裹siRNA，用于心肌梗死的治疗。结果表明，此复合物大大提高了siRNA的转递效率，降低了毒性。Rufaihah等[23]利用聚乙二醇纤维蛋白原(PF)水凝胶包裹了VEGF和ANG-1生长因子进行心肌缺血的治疗。对4个组(分别是对照组、食盐水组、水凝胶组、水凝胶+VEGF+ANG-1组)的实验研究表明，水凝胶+VEGF+ANG-1组在心功能改善方面取得了最好效果。研究提示PF水凝胶可能既能作为支撑材料，又能很好的作为VEGF和ANG-1的递送载体用于心肌梗死治疗。Bao等[24]利用π-π共轭效应首次成功制备了PEG-MEL/HA-SH/GO/ADSCs 水凝胶，该水凝胶由PEG和MEL首先形成复合物，此复合物与HA-SH交联，然后加耦联上氧化石墨烯(GO)，包裹ADSCs细胞。此包载了ADSCs的水凝胶既具有一定的模量，又具有一定的导电能力。用此水凝胶进行心肌梗死治疗，发现该水凝胶对心功能的改善有明显的提升作用，大大提高了射血分数，减小了梗死面积以及提高了新生心肌血管密度。研究表明，该可导电的水凝胶可成为心肌组织工程的又一重要材料。

综上所述，心肌梗死后心肌细胞如何能较长时间地滞留在梗死区，构建怎么样的微环境才能更好地促进心肌细胞、成纤维细胞的生长是心肌梗死治疗的重要问题。随着生物材料的快速发展，各种不同结构和功能的水凝胶陆续被研发出来，如：由聚异丙基丙烯酰胺构成温敏性水凝胶、由壳聚糖制备的水凝胶、携带各种干细胞、药物和生长因子的水凝胶、可导电的水凝胶等。水凝胶有着良好的生物相容性和可降解性，对心肌组织不仅起到支架支撑作用，同时因其不同的携带物而表现出治疗、修复功能，在心肌组织工程中将发挥越来越重要的作用。

利益冲突：无

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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，电子信箱：xie1087229224@sina.com

10.3969/j.issn.1007-5410.2017.05.013

国家自然科学基金(编号：81470592 )

2017-04- 27)

(本文编辑：周白瑜)