可注射水凝胶治疗心肌梗死

高晨珊 张亚莉 侯磊

心血管疾病是导致人类死亡的首要原因[1]。尽管近年来急性心肌梗死（AMI）的治疗取得了显著进展，但其致死率仍处于上升趋势[2]。再生医学和组织工程是研究AMI 治疗的热点，该方法旨在修复和再生受损心肌，防止心室重构。其中，可注射水凝胶能实现多种治疗效果的叠加，已被证实可以改善AMI 患者的生存率[3-7]。根据AMI 的病理过程，合理设计阶段性治疗方法，是促进AMI 后心脏功能恢复的有效策略。

水凝胶作为AMI 治疗的植入材料，其优势包括：（1）水凝胶可以为薄弱的受损组织提供力学支撑，同时促进细胞黏附，减少瘢痕组织，从而改善心脏功能；（2）水凝胶作为细胞外基质（ECM）类似物，可局部持续缓释递送生物因子，加速血管生成；（3）采用注射的方式减少了患者的创伤及手术并发症。

1 可注射水凝胶治疗AMI的现状

基于AMI 的病理机制，可注射水凝胶的治疗主要为以下4 个方面：（1）心肌直接注射水凝胶，为受损心肌组织提供力学支撑[5-8]；（2）可注射水凝胶封装缓释药物和生长因子，促进治疗药物的生物利用度和实现可控的局部滞留时间，优化治疗效果[9-12]；（3）可注射水凝胶负载干细胞，提高干细胞在梗死部位的滞留时间和存活率，为干细胞的直接分泌或旁分泌提供条件，加快血管新生和心功能恢复[13-18]；（4）可注射水凝胶装载治疗性基因，促进治疗性基因在梗死区的持续性表达，抑制心肌细胞凋亡，改善心功能[2,19-24]。

1.1 可注射水凝胶单独治疗

在心力衰竭晚期，心腔扩大和室壁变薄使ECM分布密度显著下降，心肌收缩功能减退。而过高的能量需求导致心肌耗氧量（MVO2）增加，进一步加重心肌内环境的缺氧状态，导致心肌细胞坏死和凋亡[8]。有研究表明，将水凝胶注射到心肌组织内，其直接作用是增加室壁厚度，抑制ECM 降解，提供暂时的力学支撑；同时缩小心腔内径，减轻室壁张力，降低MVO2，延缓心力衰竭进程[5]。国外临床研究评价了3 种可注射水凝胶的可行性和安全性，分 别 为Algisyl-LVR[5]、IK-5001[6]及VentriGel[7]。Traverse 等[7]对VentriGel 治疗左心功能不全开展临床研究，初步证实了VentriGel 注射的安全性和可行性，为进一步大规模临床试验提供了支持。

可注射水凝胶与心脏功能修复的相关研究，已转向增强水凝胶的结构和功能，如导电性[12-14]，抗氧化性[6,25]以及更复杂的化学成分修饰[10]等。Zhu 等[12]制备了可注射甲基丙烯酸酯明胶/氧化右旋糖苷（GelMA-O5/rGO）水凝胶，通过加入还原性石墨烯（rGO）增强水凝胶的导电性，促进AMI后心功能的恢复。Wei 等[13]设计了以透明质酸（HA）和氧化海藻酸盐（ALG-CHO）为基础、可降解和导电的基质金属蛋白酶水凝胶，增强了细胞间信号转导，提高了电导率。

1.2 缓释AMI治疗药物的可注射水凝胶

通过心肌直接注射可缓释生物制剂的水凝胶，可有效抑制心肌重构，促进心肌组织恢复[9,11,26]。水凝胶一定程度上可替代受损心肌，从而减缓AMI梗死区域ECM 的降解。在水凝胶中装载可调控ECM 稳态的抑制剂，可进一步减少ECM 的降解。Fan 等[10]通过靶向AMI 后上调的基质金属蛋白酶-2/9（MMP-2/9），制备了双功能AMI 响应性水凝胶，可按需给药，促进血管生成和抑制心脏重构。

小分子药物1，4-二氢-4-酮-3-羧酸（DPCA）是一种有效的缺氧诱导因子（HIF）-1α 稳定剂。Wei 等[13]设计了多功能可注射水凝胶（HA/ALG），并加入DPCA。该水凝胶一方面增强了细胞间信号转导，提高了电导率，另一方面实现了DPCA 的精准可控持续释放，有效稳定梗死区微环境中的HIF-1α，促进血管新生，从而更好地维持心功能。

AMI 早期，促进缺血心肌血流恢复可有效提高AMI 治疗效果。研究表明，将碱性成纤维细胞生长因子（b-FGF）、血小板源性生长因子（PDGF）、促血管生成素-1（Ang-1）和肝细胞生长因子（HGF）等，与血管内皮生长因子（VEGF）同时装载到相应类型的水凝胶中，能显著提高其生物利用度，促进局部血管生成，从而改善梗死心肌的血液灌注[27]。Munarin 等[28]将VEGF、b-FGF 和音猥因子（Shh）等3 种蛋白包裹到海藻微球中，然后负载到胶原基水凝胶中，注射至大鼠AMI 模型，虽然大鼠心肌均有瘢痕形成，但是VEGF、b-FGF 和Shh 的释放促进梗死区血管新生，大鼠心功能明显改善，说明3 种血管生成蛋白协同作用较单一蛋白促进血管生成的作用更有效。此外，将生物因子通过化学修饰的方式与水凝胶结合，在体内经水解或者酶解的方式实现稳定、可控的释放，也可能是治疗AMI 的有效方案。

可注射水凝胶负载治疗药物促进心功能恢复的作用机制主要是抑制ECM 降解，促进血管新生，抑制心脏重构。

1.3 缓释干细胞的可注射水凝胶

通过水凝胶缓释干细胞来重建坏死心肌被认为是AMI 后抑制心室重构的有效策略。AMI 后的内源性修复机制始于心肌细胞的增殖再生，但心肌细胞再生能力有限，其修复过程更多依赖于祖细胞的激活补充[29]。Zhu 等[12]制备的GelMA-O5/rGO水凝胶，用于负载脐带间充质干细胞（UCMSCs），GelMA-O5/rGO/UCMSCs 水凝胶能减少梗死区梗死面积和心肌纤维化，增加心室射血分数，最终改善AMI 后心功能。Zhu 等[14]开发了可注射、导电的纳米复合水凝胶（GNR@SN/Gel），并包裹间充质干细胞（MSCs）和68Ga3+，将其注射到大鼠心肌中，可对AMI 大鼠的早期和晚期存活心肌以及心功能产生保护作用，实验得到组织病理学的进一步证实，且实现了对可注射水凝胶的在体监测。MSCs和GNR@SN/Gel 复合导电水凝胶为AMI 的治疗提供了新的策略。

国内也有1 项临床研究（NCT02635464）评价可注射水凝胶的安全性和可行性[15]。研究者给冠状动脉旁路移植术（CABG）后的慢性缺血性心脏病患者心肌内注射负载人脐带间充质干细胞（hUC-MSCs）的胶原水凝胶，结果显示患者的心功能和生存质量得到改善。这项临床研究提示CABG 后心肌内注射负载hUC-MSCs 的胶原水凝胶，用于治疗AMI 安全可行。

有实验表明移植干细胞的主要作用机制并非促进细胞分化，而是通过细胞因子、生长因子和外泌体（EVs）的旁分泌释放，诱导血管生成，抑制心肌细胞凋亡，促进心肌细胞增殖[30-31]。Chen 等[16]在AMI 后缺血心肌中注入内皮祖细胞（EPCs），发现可以改善AMI 后心功能。Zhang 等[17]发现来自于人间充质干细胞（hMSCs）的EVs 可以通过保护心肌细胞免于凋亡、促进细胞增殖和血管生成，改善缺血后损伤的心功能。多项实验研究证实诱导多能干细胞（iPSCs）来源的EVs 富含心脏特异性微小RNA（miRNA），参与心肌细胞代谢过程的调控，有利于减少梗死面积，减轻心肌肥厚和凋亡[32-33]。Liu 等[18]设计了可持续释放EVs 到AMI 后心肌局部微环境的复合物。从iPSCs 来源的心肌细胞（iCMs）中分离的EVs（iCM-EVs），可以改善射血分数，减少梗死面积，减少心律失常的发生，防止心肌肥大。

由于存在细胞来源的限制和潜在的免疫反应等问题，阻碍了可注射水凝胶缓释干细胞在治疗AMI 方面的临床转化。

1.4 缓释基因的可注射水凝胶

可注射水凝胶为基因传递提供了可靠载体，提高了局部靶向率。目前有3 类靶基因可用于AMI的治疗，即改善血液供应的基因、减轻梗死区纤维化的基因和调节各种因素之间相互作用的基因。利用水凝胶使缓释基因靶向梗死区域，可提高局部转染效率[21]，实现局部基因表达的调控。

miRNA的表达水平与左室重构程度显著相关，Yang 等[21]将miRNA 纳米粒（miNPs）负载到可注射水凝胶中，建立一种体内递送系统，用来治疗受损心肌。这种水凝胶/miNPs 复合物可增加毛细血管密度，提高射血分数，减少心肌纤维化，显著改善AMI 后大鼠的心功能。Li 等[2]利用介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）作为miR-21-5p 的递送载体，将MSNs/miR-21-5p 复合物封装进可注射水凝胶,构建了一种递送 miR-21-5p 的控释系统，可以重构巨噬细胞功能并调节炎性微环境，并且可向内皮细胞递送miR-21-5p，促进微血管的形成。该研究实现了水凝胶与miR-21-5p 在治疗心肌AMI 中的协同作用。

小干扰RNA（siRNA）在AMI 治疗方面具有巨大的应用潜力，siRNA 可通过水凝胶在局部持续可控的释放，达到高效转染的目的。Wang 等[23]设计了负载siRNA 的可注射水凝胶复合物，可以通过释放针对MMP2 的siRNA 来抑制AMI 后局部蛋白水解酶活性的上调。

质粒DNA（pDNA）具有高稳定性和低免疫反应性等优点，但是直接在心肌内注射，pDNA 的表达效率低，持续时间短。用水凝胶包裹pDNA 后注射到受损心肌中，可实现可控精准释放，从而高效转染表达治疗性蛋白。Wang 等[24]用巯基透明质酸（HA-SH）和聚乙二醇双丙烯酸酯（TA-PEG）制备了一种可导电的可注射水凝胶，促进了心肌再生和血管生成。

2 挑战与展望

在用于心脏组织工程的所有生物材料中，可注射水凝胶由于具有微创可控、缓慢递送和体内分解成无害衍生物的特性，不仅可以为心脏提供力学支撑，还可以作为细胞、生长因子和药物的载体，展现了其在AMI 后损伤心肌修复和再生的巨大应用潜力。然而，其从科研到临床的转化途径仍具有挑战性。可注射水凝胶在体内生物降解机制目前仍未完全阐述清楚，降解时间是否可以控制以及降解时机的选择也需要考虑，降解产物的影响也值得研究。关于可注射水凝胶对于AMI 后心肌修复和再生研究中的注射剂量、注射时间也无确定的标准。水凝胶修复心肌的作用机制等关键问题仍有待明确。