香煙過濾嘴衍生的心臟貼片修復心肌梗死的研究
心肌梗死（MI）由冠狀動脈供血阻塞引起，是全球心血管病患者發病和死亡的主要原因。MI后，心肌內積累的活性氧自由基（ROS）會形成異常微環境，嚴重影響血管生成并破壞細胞內穩態，最終導致大量心肌細胞（CMs）死亡。原有的有序心肌被無序的纖維化瘢痕組織所取代，導致心臟收縮異常、電信號傳導不規律，引起不可逆的心力衰竭。目前對MI的常規治療只能減緩疾病而不能恢復受損的心肌功能。因此，需要探索一種有效的心臟修復治療策略。
基于此，南方醫科大學邱小忠教授/王樂禹教授團隊在《Bioactive Materials》期刊發表題目為“A cigarette filter-derived biomimetic cardiac niche for myocardial infarction repair”的研究文章。
方案1. 關于香煙過濾嘴衍生心臟貼片（CP）的制備及其對梗死心臟的修復效果的示意圖
文中采用64通道電標測技術（Electrical Mapping，MappingLab Limited，UK）評估了大鼠心臟正常和梗死心肌之間電信號傳導，使用EMapScope軟件分析電傳導時間、傳導速度、振幅等信號的變化。
研究結果：
1、香煙過濾嘴衍生支架的制備和表征
首先處理香煙過濾嘴，將其轉化為纖維束材料，保留纖維束的定向性結構。然后，將殼聚糖和單寧酸（TA）以及銅離子（Cu2+）復合物加入纖維束材料中，制備具有不同表面特性的支架。SEM-EDS分析表明，支架表面的修飾是有效的，并且銅元素均勻分布在其中。此外，通過循環壓縮測試評估了支架的力學性能，結果表明支架具有合適的彈性模量和抗性。電性能測試顯示，支架具有與自然心肌相似的電導率，并且在TA-Cu復合物修飾后，支架的電導率顯著增加。最后，將支架連接到LED上檢測其對電流的影響，結果顯示修飾后的支架具有壓電效應，這可能更準確地模擬心肌細胞的電生理環境，適用于心臟組織工程（圖1）。
2、仿生Cig/(TA-Cu)支架促進心肌細胞的定向生長
使用F-actin染色顯示了Cig支架相對于CF支架對細胞具有更有利的黏附和排列。接著，通過 live/dead 染色和CCK-8測定確定了Cig、Cig/TA和Cig/(TA-Cu)支架對CMs的良好生物相容性。此外，通過SEM觀察了支架中CMs的形態，發現在Cig/TA和Cig/(TA-Cu)支架上的CMs擴展良好，而在Cig支架上擴展較差。最后，使用F-actin染色檢查不同支架中CMs的伸長和定向情況，結果顯示Cig/(TA-Cu)支架上的CMs表現出最佳的定向生長（圖2）。
圖2. CMs在Cig/（TA-Cu）上的生長和排列
3、仿生Cig/(TA-Cu)支架促進心肌細胞的成熟及對功能的影響
Cig/(TA-Cu)支架能夠促進CMs的成熟和細胞間連接的形成，加快心肌細胞同步鈣信號傳播，這表明其具有促進心肌細胞功能的潛力。研究假設Cig/(TA-Cu)支架載有心肌細胞后，促進心肌細胞的增殖和修復，改善瘢痕組織和健康心肌之間的電傳導，從而促進心臟的同步跳動，可能有助于MI修復（圖3）。
圖3. Cig/(TA-Cu)支架對心肌細胞成熟和功能化的影響
4、仿生Cig/(TA-Cu)支架減輕體外氧化應激損傷
研究表明，Cig/(TA-Cu)支架具有顯著的抗氧化活性，能夠有效清除自由基，包括DPPH自由基和超氧陰離子。此外，該支架還能夠分解過氧化氫和抑制羥基自由基的產生，而在細胞水平上，支架能夠減輕氧化應激造成的細胞損傷，降低細胞內ROS的生成。總之，該支架具有改善有害ROS微環境并促進CMs存活的潛力（圖4）。
圖4. Cig/（TA-Cu）支架的抗氧化能力
5、仿生支架Cig/(TA-Cu)在體外促進血管生成
通過增殖實驗、劃痕實驗和管狀結構形成實驗檢測不同支架對血管生成的影響。結果顯示，與其他組相比，Cig/(TA-Cu)組的支架具有更好的生物相容性，可以促進內皮細胞的增殖、遷移和管狀結構形成。這些結果表明，Cig/(TA-Cu)支架可能通過其TA-螯合Cu2+功能化平臺中的Cu2+，在促進血管生成方面發揮了重要作用（圖5）。
圖5. Cig/(TA-Cu)支架的體外促血管生成作用
6、仿生Cig/(TA-Cu) CP植入清除了梗死區域的ROS并減少心肌細胞凋亡
將仿生心肌片（CPs）植入患有心肌梗死的大鼠心臟中，發現支架能夠顯著降低心肌損傷并減少心肌細胞凋亡。進一步的實驗結果顯示，植入的支架能夠有效清除細胞內的氧化應激物質，并提高抗氧化酶活性，從而促進心肌細胞的恢復和心肌功能的改善。
圖6. Cig/(TA-Cu) CP植入后3天對梗死心肌中ROS清除和抗凋亡作用的評估
7、仿生Cig/(TA-Cu) CP植入促進心梗后心臟電傳導及心肌修復
先前的研究發現，具有導電性的CPs能夠改善心肌梗死區的電學整合，這對于心肌梗死的修復至關重要。大鼠心臟手術第28天，取出心臟，使用電標測系統測量正常和梗死心肌組織之間的電傳導速度和局部電位幅度來評估不同CPs對電學整合的影響。結果顯示，植入Cig CP、Cig/TA CP和Cig/(TA-Cu) CP后，心肌梗死區的電傳導速度明顯提高，而且Cig/(TA-Cu) CP組表現出最高的傳導速度。此外，Cig/(TA-Cu) CP的植入還顯著提高了局部電位幅度（圖7）。通過檢測植入不同CPs后梗死區的CX43蛋白表達水平，評估了電學整合水平。結果顯示，在Cig/(TA-Cu)組中，CX43蛋白表達較多，同時與CX43蛋白共定位的α-actinin陽性心肌組織也多。這些結果表明，Cig/(TA-Cu) CP通過降低心肌細胞凋亡和促進心肌組織的存活，促進心肌梗死區的電學整合（圖8）。
圖7. Cig/(TA-Cu) CP植入后28天心肌梗死區電傳導的重建
圖8. Cig/(TA-Cu) CP在植入28天后對大鼠心肌梗死模型的修復效果
研究結論：
該研究成功將廢舊的香煙過濾嘴改造成一種Cig/(TA-Cu)的功能性生物仿生材料，用于修復心肌梗死。通過對香煙過濾嘴進行簡單的表面修飾，賦予Cig/(TA-Cu)材料良好的纖維微結構、電導率和機械性能，使其具備類似天然心肌的特性，這種材料能夠抑制自由基、減少心肌細胞凋亡、增強心肌細胞同步收縮和促進血管生成，從而改善心臟功能和修復心肌梗死。研究結果表明，廢舊的香煙過濾嘴能夠成為構建各向異性生物仿生材料的可行、低成本的資源。
