心包膜遞送SDF-1α包裹葛根素水凝膠促進(jìn)心梗后內(nèi)源性修復(fù)和電耦合
心肌梗死（MI）仍是全球死亡的主要原因之一。冠脈阻塞會(huì)產(chǎn)生缺血-缺氧反應(yīng)，導(dǎo)致心肌細(xì)胞損傷及細(xì)胞因子、趨化因子和生長(zhǎng)因子上調(diào)。重要的是，基質(zhì)細(xì)胞衍生因子-1α（SDF-1α），也稱為趨化因子CXCL12，已被證明通過結(jié)合趨化因子受體4型（CXCR4）來(lái)募集骨髓來(lái)源的干細(xì)胞進(jìn)行心臟修復(fù)。SDF-1α/CXCR4 軸通過將內(nèi)源性干細(xì)胞募集到缺血組織中，有助于心肌梗死 （MI） 后的心肌保護(hù)。然而，炎癥巨噬細(xì)胞也會(huì)同時(shí)募集，加重心肌損傷。更嚴(yán)重的是，炎癥的增加導(dǎo)致心肌細(xì)胞電耦聯(lián)異常，如心室傳導(dǎo)不均勻和傳導(dǎo)速度減慢。因此募集干細(xì)胞但阻斷炎癥是重要的。
近日，南方醫(yī)科大學(xué)第十附屬醫(yī)院（東莞市人民醫(yī)院）李振華研究員聯(lián)合美國(guó)哥倫比亞大學(xué)程柯教授團(tuán)隊(duì)，在《Advanced Materials》發(fā)表了題目為Pericardial Delivery of SDF-1α Puerarin Hydrogel Promotes Heart Repair and Electrical Coupling 的相關(guān)研究論文。
在這項(xiàng)研究中，SDF-1α包裹葛根素（PUE）水凝膠（SDF-1α@PUE）能夠增強(qiáng)內(nèi)源性干細(xì)胞歸巢，同時(shí)將募集的單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞極化為修復(fù)表型 M2 型，調(diào)節(jié)細(xì)胞間耦聯(lián)并改善電傳導(dǎo)。利用改良的“土壤”募集的干細(xì)胞，通過防止惡化、促進(jìn)新生血管結(jié)構(gòu)和減少梗死面積來(lái)改善心臟功能。這些發(fā)現(xiàn)證明了一種很有前途的心肌梗死治療平臺(tái)，不僅可以促進(jìn)心臟再生，還可以降低心律失常的風(fēng)險(xiǎn)。
方法：
文中采用熒光標(biāo)測(cè)和電標(biāo)測(cè)技術(shù)聯(lián)合（Optical Mapping&Electrical Mapping, MappingLab Limited, UK）檢測(cè)不同大鼠模型的心臟電傳導(dǎo)、動(dòng)作電位以及鈣瞬變信號(hào)的變化。
結(jié)果：
2.1 SDF-1α@PUE水凝膠的制備及生物相容性和巨噬細(xì)胞極化能力
這一研究通過使用加熱/冷卻處理自組裝的葛根素（PUE）形成溫度敏感水凝膠，成功實(shí)現(xiàn)了SDF-1α的高效遞送。通過四種不同濃度的PUE水凝膠的比較，選擇PUE-1.8%的凝膠進(jìn)行后續(xù)應(yīng)用，證明其在37°C下的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度適用于心臟修復(fù)。通過電靜電吸附效應(yīng)將正電的SDF-1α和負(fù)電的PUE物理混合，形成了SDF-1α@PUE水凝膠，該凝膠在40°C下自組裝成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有助于藥物負(fù)載。在體外和體內(nèi)研究中，SDF-1α@PUE水凝膠對(duì)SDF-1α的降解具有保護(hù)作用，持續(xù)釋放時(shí)間可達(dá)一周，有望支持細(xì)胞向損傷部位的預(yù)期遷移。細(xì)胞活力和極化實(shí)驗(yàn)顯示，SDF-1α@PUE水凝膠對(duì)心肌細(xì)胞和巨噬細(xì)胞都具有良好的生物相容性，并能促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞的極化。進(jìn)一步的體外模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)SDF-1α@PUE水凝膠處理有助于血管形成和傷口愈合。通過體內(nèi)成像和熒光圖像，證明心內(nèi)注射后SDF-1α@PUE水凝膠在梗死區(qū)迅速分散并長(zhǎng)效釋放，具有良好的生物分布和遞送效果。
圖1. SDF-1α@PUE水凝膠制劑及其體內(nèi)生物分布
在心肌梗死初期，急性炎癥爆發(fā)，SDF-1α治療可引導(dǎo)更多先天免疫細(xì)胞到梗死心肌。我們用SDF-1α@PUE水凝膠進(jìn)行體內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示其顯著促進(jìn)M2巨噬細(xì)胞活化，抑制M1巨噬細(xì)胞。多重驗(yàn)證包括流式細(xì)胞術(shù)、免疫熒光染色和Western Blotting，都一致表明PUE凝膠能有效抵消SDF-1α副作用，有助于抗炎和組織再生。ELISA結(jié)果顯示，SDF-1α@PUE水凝膠顯著降低IL-1β和IL-6，同時(shí)增加抗炎因子（IL-10和TGF-β）釋放，證實(shí)其抗炎效力。
圖2.SDF-1α@PUE水凝膠對(duì)逆轉(zhuǎn)過度炎癥的作用
在心肌梗死后，SDF-1α@PUE水凝膠治療成功地減輕了單核細(xì)胞前體分化的巨噬細(xì)胞對(duì)梗死區(qū)的損害，同時(shí)促進(jìn)了心肌細(xì)胞的恢復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)，該水凝膠能夠顯著提高縫隙連接蛋白43（Cx43）的表達(dá)，關(guān)鍵的心臟電信號(hào)傳導(dǎo)分子，從而有助于維持心肌細(xì)胞的電活性。通過在巨噬細(xì)胞和心肌細(xì)胞共培養(yǎng)系統(tǒng)中研究M1/M2巨噬細(xì)胞對(duì)Cx43表達(dá)的影響，結(jié)果證實(shí)SDF-1α@PUE水凝膠的炎癥調(diào)節(jié)作用對(duì)Cx43水平產(chǎn)生積極影響。此外，水凝膠治療還通過減輕氧化應(yīng)激、降低ROS水平來(lái)保護(hù)Cx43蛋白。
圖3.SDF-1α@PUE調(diào)控心肌梗死后炎癥和穩(wěn)態(tài)對(duì)Cx43表達(dá)調(diào)控的影響
研究表明，PUE水凝膠通過減緩SDF-1α/CXCR4軸加重的炎癥，顯著減少了心臟心律失常的風(fēng)險(xiǎn)。在熒光標(biāo)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，與梗死心臟組相比，SDF-1α@PUE水凝膠處理組APD90縮短，減少了心律失常的發(fā)生。此外，與梗死心臟組相比，SDF-1α@PUE水凝膠處理還加快了心臟電傳導(dǎo)速度，改善了心臟電信號(hào)的傳導(dǎo)。
圖4.SDF-1α@PUE治療后心律失常風(fēng)險(xiǎn)降低
2.5 心臟興奮-收縮耦合和電生理信號(hào)傳導(dǎo)的調(diào)節(jié)
心肌細(xì)胞的收縮和舒張依賴于周期性的動(dòng)作電位，而這一過程與鈣相關(guān)。心肌功能受損部分歸因于興奮-收縮耦合（ECC）功能的改變，導(dǎo)致胞內(nèi)Ca2+釋放回收的時(shí)間和胞內(nèi)Ca2+含量的變化。通過體外實(shí)驗(yàn)，研究了受損心肌細(xì)胞對(duì)炎癥性ROS誘導(dǎo)的胞內(nèi)鈣濃度快速波動(dòng)的機(jī)制。SDF-1α@PUE處理顯著增強(qiáng)了Ca2+傳導(dǎo)，減少了達(dá)到鈣峰值所需的時(shí)間，并增加了鈣脈沖的數(shù)量。光學(xué)標(biāo)測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SDF-1α@PUE水凝膠處理組鈣瞬變時(shí)程最短。電標(biāo)測(cè)系統(tǒng)展示了SDF-1α@PUE組中梗死區(qū)域電傳導(dǎo)正常，電信號(hào)從一個(gè)興奮點(diǎn)到下一個(gè)有序的傳遞。心電圖結(jié)果表明，SDF-1α@PUE組中的心臟節(jié)律穩(wěn)定，與正常大鼠相似，而MI和SDF-1α處理組顯示心臟缺血和異常心室去極化波形。
圖5.心臟興奮-收縮耦合和電生理信號(hào)的調(diào)節(jié)
2.6 SDF-1α的釋放增加了血管生成
我們成功證實(shí)了PUE誘導(dǎo)梗死歸巢巨噬細(xì)胞表型轉(zhuǎn)換后，能夠緩解心臟炎癥微環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，相較于其他對(duì)照組，SDF-1α@PUE處理組在Langendorff灌流的大鼠心臟中表現(xiàn)出更高的再灌注比率。PUE水凝膠的降解釋放的SDF-1α，通過吸引內(nèi)源干細(xì)胞，顯著促進(jìn)了新血管生成。流式細(xì)胞術(shù)分析結(jié)果顯示，SDF-1α@PUE處理組有效協(xié)調(diào)體內(nèi)髓系細(xì)胞的招募。該處理組中BM-MSCs和HSCs的比例顯著增加，與SDF-1α單獨(dú)處理組相比，這種效應(yīng)在第7天更為顯著。此外，通過Western Blotting和免疫熒光分析，我們發(fā)現(xiàn)SDF-1α@PUE水凝膠處理組促進(jìn)了新血管生成相關(guān)標(biāo)志物（CD31和α-SMA）的顯著增加。
圖6.SDF-1α的釋放增加了血管生成
2.7 SDF-1α@PUE水凝膠對(duì)心肌梗死大鼠模型的療效觀察
通過在心肌梗死（MI）大鼠模型中進(jìn)行iPC注射后展示SDF-1α@PUE水凝膠誘導(dǎo)的抗炎效應(yīng)，觀察到減少的促炎因子、增加的抗炎因子和Cx43表達(dá)增加，強(qiáng)調(diào)了SDF-1α@PUE水凝膠對(duì)巨噬細(xì)胞M2型極化的抗炎影響，有助于創(chuàng)造有利的免疫微環(huán)境促進(jìn)心臟修復(fù)。進(jìn)一步評(píng)估了SDF-1α@PUE水凝膠在MI大鼠模型中的治療效果，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過28天的治療后，梗死區(qū)域減少，瘢痕百分比降低，心臟重塑減輕，心功能顯著改善。
圖7.SDF-1α@PUE水凝膠對(duì)心肌梗死大鼠模型的治療效果
2.8 心梗后的長(zhǎng)期預(yù)后有明顯改善
研究發(fā)現(xiàn)SDF-1α@PUE具有減小梗死面積、保持心肌收縮性和增加可存活心肌細(xì)胞的潛力，同時(shí)沒有引起血常規(guī)、血清炎癥因子和病理異常的顯著變化，這些表明SDF-1α@PUE在試驗(yàn)中具有長(zhǎng)期的生物安全性。在5個(gè)月的記錄中，與對(duì)照組相比，SDF-1α@PUE治療組顯示出較低死亡率。通過心臟病理切片分析和離體灌流心臟系統(tǒng)的評(píng)估，證實(shí)了SDF-1α@PUE水凝膠對(duì)心臟治療的潛在療效和延長(zhǎng)治療效益的潛力。研究結(jié)果還顯示SDF-1α@PUE治療有助于減小心肌瘢痕形成，防止心臟重塑，提高左室功能，從而改善了心臟功能。
圖8.SDF-1α@PUE水凝膠的長(zhǎng)期治療效果
目前，SDF-1α/CXCR4基于的治療方法已經(jīng)被用于治療心肌梗死。然而，大多數(shù)治療方案很少?gòu)?qiáng)調(diào)應(yīng)對(duì)由SDF-1α/CXCR4軸引起的激進(jìn)炎癥的重要性。本文講述了SDF-1α@PUE水凝膠具有改善心臟的治療潛力，其中PUE凝膠用于SDF-1α遞送可以優(yōu)化內(nèi)源干細(xì)胞療法的功效，同時(shí)最小化SDF-1α/CXCR4軸的不良副作用。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202302686
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