水凝胶改善心肌梗死后心脏生物力学重构的研究进展

李彬 蒋学俊

(武汉大学人民医院心内科 武汉大学心血管病研究所 心血管病湖北省重点实验室，湖北 武汉430060)

据《中国卫生健康统计年鉴2019》[1]显示，2018年中国城市居民冠心病死亡率为120.18/10万，农村居民冠心病死亡率为128.24/10万，较2012年显著增加。经皮冠状动脉介入治疗已是十分成熟的再灌注治疗方法，能有效降低患者死亡率，但许多患者在心肌梗死后发生严重的并发症——心力衰竭，直接影响患者预后，其5年生存率为50%[2]。

由于心肌细胞不能再生，现有治疗方法无法改善心肌梗死后的心肌细胞数量减少(收缩功能受损)，心肌细胞细胞外基质(extracellular matrix，ECM)降解(机械支持受损)，导致心脏力学的矢量方向、性质和大小改变，最终进展为终末期心力衰竭[3-4]。终末期心力衰竭最有效的治疗方法是心脏移植，但临床实践中许多患者很难有机会获得匹配的供体器官，顺利完成移植手术[5]。因此进一步了解心脏的生物力学特点以及寻求改善梗死后生物力学的方法显得尤为重要。

水凝胶是一种三维立体高分子生物材料，具有生物相容性的特点，且与ECM结构相似，将水凝胶注射到梗死部位可以代替ECM从而达到减缓心肌梗死后心脏力学的重构，提高心肌梗死患者5年生存率。现就水凝胶改善心肌梗死后心脏力学重构的研究进展进行综述，以期为减轻心肌梗死后心脏重构，提高5年生存率提供一定的启发。

1 心肌组织的生物力学以及心肌梗死后的心脏生物力学改变

心脏作为给全身供血的机械泵，其自身的生物力学环境的衡态显得十分重要，其中以维持心肌ECM弹性的相对稳态最为重要。弹性是指物体发生形变后，能恢复原来大小和形状的性质，其衡量参数是弹性模量，又称杨氏模量，它是一个可以体现物体本身力学性质的物理量。人正常心肌的弹性模量在0.02～0.50 MPa的范围动态改变[6]，由于心肌组织刚度在收缩期增加而舒张期减小，即心肌组织弹性具有周期性变化[7]。

冠心病是一种常见的心血管疾病，当不稳定斑块发生破裂时会导致冠状动脉栓塞并破坏心肌的供能平衡。再灌注治疗能降低急性心肌梗死带来的死亡率，但是并不能降低心肌梗死后心力衰竭的发生率[2]。研究发现心肌梗死后，心肌的弹性模量会发生变化，Berry等[8]发现，小鼠心肌梗死区域的弹性模量(55 kPa)是对照组(18 kPa)的3倍；马鑫等[9]的研究得出了相似的结论，他们还发现在心肌梗死的24 h内，梗死区域的弹性模量会呈现出先降后升的趋势，该现象与急性心肌梗死发生后的一系列病理改变(心肌细胞坏死，最终由纤维蛋白替代)是相符的。目前研究认为心肌梗死发生后的弹性模量改变主要是ECM的降解，而心肌细胞的丢失所占比例不大。

2 心肌梗死后的可注射水凝胶治疗

既往对心肌梗死治疗的研究多是围绕着心肌梗死后的生化水平的改变，因此单独或联合运用生物分子、细胞、药物来改善心肌梗死后的心力衰竭。传统治疗难以完全改善心肌梗死后的生物力学环境，单纯使用心脏支持装置可改善心功能，仅是为心室提供一定的支撑力(即具有一定的刚度)来抵抗增加的室内压，部分改善心肌梗死后力学环境，进而防止梗死后心室的扩张和降低室壁应力，确有逆转梗死后心力衰竭的功能[10-11]。另外，左心室辅助系统还可以帮助心脏泵血，减轻存活心肌的机械负荷，改善心功能，均证明力学环境的改善是治疗心肌梗死后心力衰竭的研究新方向[12]。心脏支持系统的植入操作具有侵入性、创伤性和排斥性，随着生物材料的研发进展，水凝胶作为一种三维生物材料，具有与ECM高度相似的结构特性，富含多孔结构和亲水基团的支架系统，可以与水分子结合以保持高含水量[13]。由于其独特的渗透性、生物降解性和生物相容性，在组织工程和再生医学方面拥有巨大的潜力。在2003年，水凝胶就应用于心肌梗死的治疗，大量动物实验证实水凝胶在梗死区域注射可改善心功能[14]。其确切的作用机制却尚未完全明确，现聚焦于水凝胶的力学改善机制进行说明。

2.1 可注射水凝胶的作用机制

心肌梗死后梗死区域的心肌细胞坏死，心脏部分区域的收缩力丢失，ECM降解导致心肌的结构力学发生改变。根据Laplace定律，梗死区域变薄的同时，梗死区域应力增大，易导致室壁瘤的发生。另外，增大的应力不利于非梗死区域残存心肌细胞的存活[15]。

有限元模型仿真结果显示，将水凝胶注射到绵羊左心室梗死区可降低心肌梗死后升高的肌纤维应力[16]。Matsumura等[17]通过双向拉伸实验证明水凝胶可使左心室变硬，表现出水凝胶的机械强化作用，抵抗ECM降解导致力学支持力丢失。Dorsey等[18]也通过化学交换饱和转移成像的力学分析验证了透明质酸水凝胶改善心肌梗死后的心脏力学环境。这是由于水凝胶可以替代降解的ECM，为心肌细胞功能的正常发挥提供较为良好的力学支撑。加强梗死部位的力学支撑，避免梗死部位受到非梗死部位的牵拉，防止进一步加重心室重塑。同理，水凝胶还能增加室壁厚度，维持心肌的收缩和舒张，延缓心室重塑[19]。

2.2 可注射水凝胶的力学特点研究

目前，心脏用水凝胶的力学研究主要在水凝胶弹性模量的方面。调节水凝胶弹性模量最常见的方法包括：改变聚合物浓度、调节交联度。例如，聚乙二醇基可注射水凝胶。水凝胶聚合物浓度为5%、10%、20%和30%。其对应弹性模量分别为0.8、6.9、17.2和35.0 kPa[20]。而藻酸盐水凝胶，可通过改变Ca2+浓度调节水凝胶的交联度。Efraim等[21]合成一种新的水凝胶并测试发现，与心肌梗死区注射弹性模量小的水凝胶相比，弹性模量较大的水凝胶能表现出更好的心脏收缩和舒张功能。Ifkovits等[22]在绵羊的心肌梗死模型上应用两种可注射透明质酸，比较弹性模量为8 kPa(低于心肌弹性模量)和弹性模量为43 kPa(高于心肌弹性模量)的水凝胶，结果43 kPa的水凝胶在射血分数等心功能指标上改善更为明显，可注射水凝胶的最佳弹性模量应与健康心肌的弹性模量相适应。Chow等[20]使用一系列弹性模量不同的水凝胶进一步证实：与低于或者高于心肌弹性模量的水凝胶相比，最接近正常心肌弹性模量的水凝胶改善心室重塑的作用最为明显。临床中各年龄段、不同性别的患者都可能发生心肌梗死，其心肌弹性模量并不一致，所以根据患者自身心肌弹性模量的特点来合成水凝胶，能更大地发挥水凝胶的优势。

心脏用水凝胶的力学研究主要是水凝胶弹性模量的变化与心功能改善之间的关系，而水凝胶其他力学性质，如伸缩比、流变学性质等研究较少，这也是未来改良心脏用水凝胶的重点研究方向。

3 可注射水凝胶在心肌梗死后的临床应用

目前已有三种可注射水凝胶(Algisyl-LVRTM[23]、IK-5001[24]和VentriGel[25])进入临床试验。Algisyl-LVRTM和IK-5001是以藻酸盐为原料合成的化合物。VentriGel是一种从猪心肌提取的ECM水凝胶。在这三种可注射水凝胶中，Algisyl-LVRTM完成了Ⅰ期临床试验(NCT00847964)和Ⅱ期临床AUGMENT-HF试验(NCT01311791)[23，26]。其中Ⅰ期临床试验(NCT00847964)纳入3例缺血性心肌病患者，由于在进行冠状动脉旁路移植术时接受Algisyl-LVRTM心肌内注射，所以无法将心功能的改善完全归因于Algisyl-LVRTM心肌内注射。因此AUGMENT-HF是以单纯海藻酸盐水凝胶注射治疗的临床试验，其纳入标准为年龄18～79岁，峰值摄氧量为9.0～14.5 mL·kg-1·min-1，左室射血分数≤35%，左室舒张末期尺寸与体表面积对应30～40 mm/m2的患者。两次试验的标准化注射部位为左心室顶端和基底之间的左心室中室水平面，并在前室间隔槽和后室间隔槽之间的心室游离壁进行心肌内注射，每个注射点注射0.3 mL海藻酸盐水凝胶。计算机模型模拟明显证明Algisyl-LVRTM心肌内注射能降低心室壁的应力。另外Algisyl-LVRTM心肌内注射使得患者的运动耐受性明显提高，心功能明显改善[27]。IK-5001同样也通过了Ⅰ期临床试验(NCT00557531)以及Ⅱ期临床PRESERVATION Ⅰ试验(NCT01226563)，验证了其改善左心室重塑患者心功能的有效性和安全性[24，28-29]。Ⅰ期临床试验入选27例成功血管重建术后ST段抬高心肌梗死的中重度患者，在局部麻醉下，通过经皮桡动脉进入冠状动脉注射IK-5001到梗死相关的冠状动脉。由于急性心肌梗死部位微血管通透性增加和细胞外钙浓度升高使得IK-5001选择性地进入并渗透梗死心肌组织，与Ca2+交联形成临时的生物可吸收心脏支架，且不影响冠状动脉血流及心肌灌注。随访显示，患者心功能维持于术前水平，有效预防心室重塑和充血性心力衰竭。PRESERVATION Ⅰ试验是一项早期随机、双盲、安慰剂对照试验，比较了ST段抬高的大面积心肌梗死患者在成功再灌注后，在冠状动脉内应用4 mL IK-5001与生理盐水对照的情况。结果显示在成功再灌注后 2～5 d冠状动脉内放置 IK-5001并未减少6个月时的左心室不良重塑或心脏临床事件，因此海藻酸盐在心肌梗死中的进一步研究可能是有必要的。VentriGel进行了Ⅰ期临床试验(ClinicalTrials.gov Identifier NCT02305602)，对ST段抬高心肌梗死并经皮冠状动脉介入治疗术后的患者在心脏自动导航系统(NOGATM)的引导下经心内膜实现心肌内注射，研究已于2019年6月完成，但是研究最终结果未公布。总的来说，水凝胶对心功能的改善是可以肯定的，但是仍然需要经过严格的临床试验。

4 总结与展望

水凝胶做为力学支持系统能很好地改善梗死后的心脏力学重构，尤其是符合心脏的弹性模量的水凝胶，能够最大程度恢复心脏的力学环境。

目前，水凝胶可以替代ECM，但是丢失的心肌无法再生的问题仍然未解决。最近，受器官组织弹性差异的启发，越来越多的学者们发现干细胞分化的差异受基质的弹性影响。在再生医学的领域中，Yang等[30]的研究证实：干细胞具有机械应力的记忆，人间充质干细胞在弹性模量大(符合骨的弹性)的水凝胶培养皿上成骨分化。因此，符合心肌弹性的水凝胶易使得干细胞向心肌细胞分化，有利于心室收缩功能的恢复。正如Heras-Bautista等[31]的研究中，使用弹性模量为55 kPa的聚丙烯酰胺凝胶成功培养了诱导多能干细胞产生的心肌细胞，并且避免了使用经典组织培养皿造成的心肌细胞收缩功能的丢失。水凝胶在体外促进干细胞向心肌细胞分化具有重要作用。

综上，应用与心肌相似弹性模量的水凝胶不仅可以预防心室形态改变，减少梗死区域对非梗死区域的影响，还可以恢复心肌生理状态的弹性，有利于干细胞向心肌细胞分化，从而最大程度恢复心室的收缩功能和形态，更加利于心功能的恢复。这将是未来治疗心肌梗死后心力衰竭的研究新方向。