心肌梗死(MI)是由冠狀動脈閉塞缺血、缺氧所導致的不可逆的心肌損傷,是目前世界范圍內心血管死亡和致殘的主要原因。心臟缺血導致心肌細胞大量死亡,同時局部上調的基質金屬蛋白酶(MMPs)降解心臟細胞外基質(ECM),降低組織力學性能,導致梗死區域心室壁逐漸變薄,整體擴張,加速心功能惡化。原位恢復梗死區域的血供,減輕ECM降解成為治療心肌梗死的潛在手段。研究證明心肌內注射生物材料和生物活性因子(如血管生成因子或MMP抑制劑)利于心肌梗死后心功能的恢復,然而,目前仍沒有活性分子可同時實現在心肌損傷部位促血管新生及MMP抑制雙重功能。此外,心肌損傷隨著時間的推移表現出可變的疾病活動,伴有病情加重和低疾病活動期。現有的心肌內藥物遞送系統提供持續的藥物釋放,而與疾病活動無關,這可能導致局部在高或低疾病活動期的次或超治療藥物水平。因此發展一種疾病微環境響應的藥物遞送系統,將控制藥物的釋放以配合疾病的活動,實現按需釋放,才有可能達到最佳的治療效果。
針對心肌損傷微環境的特點,戴建武研究團隊設計了一種微環境控釋型功能化膠原水凝膠,它包含一種全新的生物大分子(GST-TIMP-bFGF),不僅可以抑制MMP活性減輕心肌ECM降解,而且可以響應心肌梗死微環境釋放堿性成纖維細胞生長因子(bFGF)促進血管新生。
圖1. MMP響應性水凝膠制備及藥物在大鼠MI模型損傷部位釋放過程的示意圖。(A)重組蛋白表達法制備GST-TIMP-bFGF。(B)采用化學交聯法將GSH修飾到膠原凝膠上,得到Gel-GSH。(C)將GST-TIMP-bFGF 與Gel-GSH 混合,通過GST 和GSH實現材料和因子的特異結合。(D)心肌梗死大鼠心肌內注射混合水凝膠。(E)在損傷微環境中,MMP-2/9降解底物肽TIMP,釋放bFGF,實現血管生成和抑制MMP的雙重功能。
微環境控釋的實現以生物活性因子與生物材料的結合為前提。谷胱甘肽巰基轉移酶(GST)標簽蛋白與谷胱甘肽(GSH)之間酶與底物的特異性作用可實現GST標簽蛋白與GSH的特異結合。團隊采用GST標簽載體融合表達生長因子,提高了生長因子與交聯GSH膠原生物材料的結合能力。為進一步實現MMP抑制及MMP響應性釋放,又將MMP底物短肽(TIMP)插入GST標簽與bFGF之間,構建全新的生物大分子GST-TIMP-bFGF,通過體外和體內實驗證明生物材料加載GST-TIMP-bFGF重組因子能夠抑制MMP活性,響應MMP-2裂解釋放高活性bFGF。
圖2. GST-TIMP-bFGF/膠原-GSH的bFGF結合能力及MMP響應性釋放分析。(A)GST-TIMP-bFGF與膠原-GSH體外結合的實驗流程。(B) bFGF、GST-bFGF 、GST-TIMP-bFGF與膠原-GSH的結合曲線。(C)GST-TIMP-bFGF 與膠原、膠原-GSH 的結合曲線。(D)MMP介導的bFGF 在體外不同時間點的累計釋放。(E)體外釋放bFGF 的相對生物活性。(F-G)心肌梗死后不同時間點MMP-2表達的Western blot及其定量分析。(H)MMP響應性水凝膠在體內不同時間點釋放bFGF的累積量。
團隊將GST-TIMP-bFGF/膠原-GSH的智能水凝膠注射到大鼠心肌梗死部位,通過HE、Masson、免疫組織化學染色、小動物心臟超聲等方法綜合評價功能水凝膠對心肌梗死的治療效果。研究結果表明,功能水凝膠通過抑制MMP活性及生長因子按需釋放,可以增加損傷組織血管化,減輕心臟重構,明顯改善心功能。這種材料有望成為治療缺血性心臟病的新手段,同時由于MMP在多種損傷中高表達以及GST-GSH系統的靈活便捷特點,此特異結合及微環境控釋技術有望拓展應用于多種材料及生長因子緩釋,促進不同組織再生。
圖3. 注射MMP響應性水凝膠后30天心功能明顯改善。(A)心肌梗死大鼠心肌內注射MMP響應性水凝膠。(B)各組代表性心臟超聲圖。(C)舒張末期左室內徑。(D)收縮末期左室內徑。(E)左室短軸縮短分數。(F)射血分數。
該研究結果于2019年8月13日在線發表于Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201902900)。論文的第一作者為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所博士后范彩霞,共同第一作者為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所博士生施家佳,通訊作者為戴建武研究員,共同通訊作者為中國科學院遺傳與發育生物學研究所趙燕南副研究員。該工作得到中國科學院重點部署項目《組織器官再生與損傷修復,ZDRW-ZS-2016-2》的支持。
論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902900
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