南京医科大学ACS Nano：注射型导电纳米胶束水凝胶用于增强心肌梗死修复

在心脏组织修复领域，利用功能性水凝胶材料已经取得了显著进展。此外，药物负载水凝胶作为调节不良微环境、预防心肌梗死（MI）后左心室重塑的研究热点，从而促进修复效果的改善。在本研究中，南京医科大学Chang Cui/北京安贞医院李海洋使用二丙烯酸化Pluronic F127胶束作为水凝胶的宏观交联剂，并加载了疏水性药物α-生育酚（α-TOH）。通过原位合成多巴胺（PDA）并结合导电组分，构建了一种可注射且高度顺应性的抗氧化/导电复合FPDA水凝胶。该水凝胶展现出卓越的拉伸性、高韧性、良好的导电性、细胞亲和性以及组织粘附性。在兔模型中，材料被外科植入心肌组织，紧随左前降支冠状动脉结扎之后。植入四周后，观察到明显的功能恢复，表现为增加的心脏分数缩短和射血分数，以及减少的梗死区域。本研究的发现强调了FPDA水凝胶的实质性应用价值，因为它们具有积极调节心肌梗死后梗死微环境的能力，从而增强心肌梗死的治疗结果。该研究题为“Injectable and Conductive Nanomicelle Hydrogel with α-Tocopherol Encapsulation for Enhanced Myocardial Infarction Repair”发表在《ACS Nano》。

图1展示了F127DA-PEDOT:PSS-PDA-α-TOH (FPDA)水凝胶在心脏修复中的制备过程和治疗机制。通过这一示意图，研究者们说明了FPDA水凝胶如何通过注射和原位形成，以及其导电和抗氧化特性如何协同作用于心肌梗死区域，促进心脏功能的恢复。结论表明，FPDA水凝胶能够有效地改善心肌梗死后的微环境，增强心肌细胞的功能和同步性，从而在体内实验中显示出对心脏修复的显著效果。

图1.FPDA水凝胶在体内心脏修复中的制备和治疗机制示意图。

【水凝胶的合成过程和结构表征】

图2描述了FPDA水凝胶的合成过程和结构表征。首先，通过利用F127DA的自组装特性在水中分散α-TOH，然后引入PEDOT:PSS和PDA组分，并通过光聚合形成水凝胶。研究者们观察到，随着α-TOH浓度的增加，水凝胶溶液的颜色逐渐变白，类似于乳状液。透射电子显微镜（TEM）结果也证实了α-TOH在溶液中的均匀分散。此外，通过氧化聚合反应形成PDA链，溶液颜色逐渐变深，最终形成典型的PDA颜色。研究者们还发现，随着DA浓度的增加，水凝胶的固体特性减少，导致塑性降低和柔软性增加。通过光聚合形成的FPDA水凝胶，即使在加入导电材料PEDOT:PSS和PDA后，其热凝胶特性仍然保持不变。这些结果表明，FPDA水凝胶的合成方法简单，且具有良好的结构稳定性和可调节的机械性能，为心肌梗死修复提供了一种有潜力的治疗策略。

图2.水凝胶的合成过程和结构表征

【水凝胶的合成过程和结构表征】

图3展示了FPDA水凝胶的机械和导电性能测试。通过拉伸应力-应变曲线、循环拉伸测试、压缩恢复性能和循环压缩测试，研究者们发现FPDA水凝胶具有出色的拉伸性和压缩性能，能够在去除负载后自动恢复原始形状。在循环加载-卸载测试中，FPDA水凝胶显示出最小的强度损失，表明其具有良好的机械稳定性。此外，通过原子力显微镜（AFM）测量的杨氏模量结果表明，FPDA水凝胶的模量降低，这归因于交联密度的减少。导电性能测试显示，随着PEDOT:PSS浓度的增加，水凝胶的导电性相应提高。这些结论证实了FPDA水凝胶不仅具备良好的机械性能，而且具有优异的导电特性，这对于心脏修复应用中的电信号传导至关重要。

图3.水凝胶的合成过程和结构表征

【水凝胶的体外生物相容性】

图4进行了FPDA水凝胶的体外生物相容性评估。通过活/死细胞染色实验，研究者们观察到H9C2细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）在不同水凝胶系统中的细胞存活率保持在90%以上，显示出良好的细胞活性和增殖能力。此外，使用2′,7′-二氯荧光二乙酸酯（DCFH-DA）染色评估细胞内活性氧（ROS）水平，结果显示FPDA水凝胶能够有效抑制ROS的产生，尤其是当水凝胶中含有α-生育酚（α-TOH）时，ROS清除效果更为显著。这些结果表明FPDA水凝胶具有良好的生物相容性和抗氧化性能，有助于心肌梗死后的细胞保护和修复。

图4. 水凝胶的体外生物相容性

【水凝胶对体外心肌细胞的影响】

图5展示了FPDA水凝胶对体外培养的心肌细胞的影响。研究者们在不同水凝胶上培养了新生大鼠心肌细胞，并观察到在FPDA水凝胶上的心肌细胞显示出更高的α-肌动蛋白阳性肌原纤维密度，以及与对照组相比，含有导电组分的水凝胶（FP, FPD, 和 FPDA）表现出更高水平的连接蛋白43（Cx43）蛋白表达。这些结果表明，FPDA水凝胶能够促进心肌细胞的功能化和成熟，并通过钙离子瞬变实验观察到心肌细胞在水凝胶上的同步收缩。特别是，FPDA组显示出更多的钙离子峰值和更短的钙离子峰值时间，表明更强的钙离子动员和同步性。这些发现证实了FPDA水凝胶作为心肌梗死修复平台的潜力，能够有效地促进心肌细胞的成熟和同步收缩功能。

图5.水凝胶对体外心肌细胞的影响

【注射水凝胶4周后修复梗死心肌的效果】

图6通过在兔心肌梗死模型中注射FPDA水凝胶并观察4周后的效果，评估了水凝胶对心脏修复的影响。研究者们观察到与心肌梗死组相比，FPDA处理组在心脏功能参数上表现出显著改善，包括左心室射血分数（LVEF）和左心室分数缩短（LVFS）的增加，以及梗死区域和纤维化区域的减少。此外，通过心脏超声检查，FPDA组显示出更有效的左心室收缩波，以及左心室内径在舒张期（LVIDd）和收缩期（LVIDs）的显著减小，表明FPDA水凝胶能够有效防止左心室扩张和重塑。这些结论表明FPDA水凝胶在心肌梗死治疗中具有促进心脏功能恢复和防止不良心脏重塑的潜力。

图6.注射水凝胶4周后修复梗死心肌的效果

【兔心肌梗死修复的评估】

图7通过免疫染色技术观察了FPDA水凝胶在心肌梗死修复中对心肌细胞结构和功能的影响。研究者们发现，在假手术组中，心肌细胞显示出密集的α-肌动蛋白阳性区域和Cx43阳性蛋白，而在心肌梗死组中，这些蛋白的表达显著减少，表明心肌梗死导致了心肌细胞功能的严重损失。相比之下，FPD和FPDA组中α-肌动蛋白的表达显著增加，这主要归因于这两种水凝胶有效地减轻了纤维化不良重塑。此外，FPDA组在Cx43的表达上优于FPD组，反映了α-生育酚掺杂水凝胶的生物功能性。这些结果表明，FPDA水凝胶能够促进心肌梗死区域的心肌细胞再生和功能恢复，为心肌梗死的治疗提供了一种有效的策略。

图7. 兔心肌梗死修复的评估

【4周后心肌再血管化评估】

图8通过双重免疫染色技术评估了FPDA水凝胶在心肌梗死修复过程中对心肌再血管化的影响。研究者们观察到，与梗死组相比，水凝胶组的微血管密度更高，尤其是FPDA处理组，在梗死区域内形成了丰富且有序的血管结构。定量分析显示，FPDA组新形成的血管数量最多，这表明FPDA水凝胶在心肌梗死后促进了心肌损伤的恢复。这可能归因于导电水凝胶招募内皮细胞迁移到梗死区域的能力，以及在心肌梗死修复过程中FPDA水凝胶减轻了梗死区域的炎症，创造了有利于内皮细胞生长的心脏微环境，从而促进了新生血管的形成。这些结论证实了FPDA水凝胶在促进心肌梗死后血管新生和心脏修复方面的潜力。

图8. 4周后心肌再血管化评估

【小结】

考虑到心肌梗死早期ROS损伤的病理微环境和心肌梗死的电生理特征，本研究开发了一种可注射的、多组分自组装FPDA导电水凝胶，其制备简单且具有可控的生物相容性。体外实验表明，在FPDA条件下，PDA和α-TOH有效协同清除细胞中的ROS并减轻细胞凋亡。基于细胞内钙瞬变和间隙连接形成的证据，FPDA水凝胶增强了心肌细胞的电和收缩性能。在心肌梗死兔模型中加载FPDA后，观察到心脏功能的显著恢复，表现为左心室射血分数增加、梗死区域减少和纤维化区域减少。该研究揭示了α-TOH作为心肌梗死患者的急性治疗剂的潜力，提供了一种有前景且经济上可行的方法，易于临床转化。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c00509