郑大一附院唐俊楠/哥大程柯ACS Nano: 生物衍生纳米颗粒在心脏修复中的应用与策略

基于生物的疗法是心肌修复的一种有希望的策略。然而，使用活细胞的局限性，包括同种异体细胞的免疫原性风险以及自体细胞治疗效果的不一致性和稳定性低，导致临床结果不令人满意。因此，郑州大学第一附属医院唐俊楠&哥伦比亚大学程柯已经提出了无细胞策略作为心脏组织修复的替代策略。无细胞策略主要基于细胞治疗的旁分泌效应，已经显示出其在抑制心肌梗死后的细胞凋亡、减少炎症、促进现场细胞迁移和增殖以及血管生成方面的潜力，并已在临床前和临床上进行了探索。在各种无细胞方式中，包括腺相关病毒（AAV）、细胞外囊泡、细胞膜包被的纳米颗粒和外泌体模拟纳米囊泡在内的生物衍生纳米颗粒，因其改善的生物学功能和治疗效果而成为有希望的策略。本综述的主要焦点是现有细胞纳米颗粒的发展及其基本工作机制，以及所面临的挑战和机遇。首先总结了心脏组织修复的关键过程和要求。进一步强调了各种细胞纳米颗粒方式，连同它们的优点和局限性。最后，我们讨论了提供潜在途径的多种递送方法，供研究人员和临床医生将无细胞心脏组织修复策略转化为临床实践。该研究题为“Bioderived Nanoparticles for Cardiac Repair”发表在《ACS Nano》。

图1展示了心肌梗死后心脏修复过程的不同阶段，这些阶段可以根据时间线和细胞反应被划分为炎症阶段、增殖和修复阶段以及成熟阶段。在炎症阶段，由于坏死、凋亡和自噬导致的心肌细胞损伤，会分泌损伤相关分子模式（DAMPs），引发炎症反应和免疫细胞浸润。随后的增殖和修复阶段涉及心肌成纤维细胞的形成、免疫细胞的渗透、血管新生和胶原蛋白的沉积。最后，在成熟阶段，通过基质交联和修复细胞的去活化（甚至凋亡）稳定瘢痕组织。这些结果表明心脏修复过程中炎症和修复之间的微妙平衡对于最佳修复结果至关重要，因为炎症阶段的不适当延长、过度或不充分解决都可能导致修复不足、组织梗死加剧、细胞死亡增加和收缩功能障碍，进而扩大梗死面积、促进不良心脏重塑和心腔扩张。

图1. 心肌修复过程的阶段

【不同的生物衍生纳米颗粒策略用于心脏修复】

图2展示了心脏修复过程中细胞外囊泡（EVs）的应用，包括天然EVs和工程化EVs。天然EVs通过下调心肌细胞中的促凋亡基因产物来激活心脏保护，而工程化EVs通过增强心脏祖细胞分泌的特定miRNA来保护心脏功能。实验结果表明，这些EVs通过减少心肌细胞凋亡、促进血管新生和改善心脏功能，在心肌梗死后的修复中发挥了积极作用。

图2. 不同的生物衍生纳米颗粒策略用于心脏修复

【细胞外囊泡在心脏组织修复中的使用，包括天然EVs和工程化EVs】

图3阐释了细胞外囊泡（EVs）在心脏组织修复中的两种应用方式：天然EVs和工程化EVs。天然EVs，如来自心脏球状体的外泌体，通过携带特定miRNAs（例如miR-210, miR-132, miR-146a）来促进心脏功能，减少细胞凋亡，并在心肌梗死（MI）后促进新血管形成。工程化EVs，如经HIF-1转染的内皮细胞或心脏前体细胞（CPCs）衍生的EVs，通过富集特定miRNAs（如miR-126和miR-322）来增强心脏祖细胞在低氧应激下的生存能力，并在MI后通过Nox2依赖的血管生成维持心脏功能。此外，通过在EV膜上修饰特定肽段，如缺血靶向肽（CSTSMLKAC），可以提高EVs在心脏缺血区域的靶向性和滞留率，从而增强心脏功能。因此，无论是天然还是工程化的EVs，都展现出了在心脏修复中的潜力，特别是通过调节免疫反应、促进血管新生和细胞增殖，以及通过靶向修饰提高治疗效果，为心脏修复提供了新的治疗策略。

图3. 细胞外囊泡在心脏组织修复中的使用，包括天然EVs和工程化EVs

【纳米囊泡在心脏组织修复中的应用】

图4展示了在心脏组织修复中使用纳米囊泡（NVs）的两种策略：一种是通过细胞外囊泡（EVs）模拟的纳米囊泡（EMNVs），另一种是利用药物负载的EMNVs。在第一种策略中，通过细胞外泌体（如来自诱导多能干细胞iPSCs的EMNVs）携带心脏修复所需的生物分子，这些EMNVs能够在缺氧条件下提高心肌细胞的存活率。第二种策略涉及将药物（如褪黑激素Mel）封装在EMNVs中，通过超声处理实现药物与EMNVs的结合，形成药物负载的EMNVs（Mel@NVs）。在心肌梗死模型中，Mel@NVs能够减少氧化应激损伤，减轻心肌纤维化，从而进一步缓解线粒体功能障碍并增强心脏修复功能。因此，无论是作为生物分子的载体还是作为药物递送系统，EMNVs都显示出了在心脏修复中的巨大潜力，特别是它们在提高心肌细胞存活率和促进心脏功能恢复方面的效果，为心肌梗死修复提供了新的治疗策略。

图4. 纳米囊泡在心脏组织修复中的应用

【AAV及其工程变体作为心脏组织修复的传递载体】

图5描述了腺相关病毒（AAV）作为心脏组织修复的基因治疗载体的应用。AAV被用于传递对心脏功能有积极影响的基因，如血管内皮生长因子（VEGF）和血管生成素-1（Ang1），这些基因通过AAV载体传递后，能够改善心肌的血流和心脏功能。具体来说，在猪急性心肌梗死（MI）模型中，通过AAV传递VEGF和Ang1后，通过单光子发射计算机断层扫描（SPECT）图像显示了改善的心肌灌注，并通过分析左室射血分数（LVEF）、心肌灌注评分、左室舒张末期容积（LVEDV）和左室收缩末期容积（LVESV）等参数证实了心脏功能的改善。此外，AAV9.45变体在心脏组织修复中的应用，通过荧光显微镜图像显示了AAV9或AAV9.45载体在小鼠心脏、肝脏和骨骼肌中的表达水平，证明了AAV9.45变体在心脏转导中的高效率和对肝脏的靶向性降低。这些结果表明，AAV作为一种基因治疗载体，在心脏修复领域具有显著的应用潜力。通过AAV载体传递的治疗基因能够有效改善心肌梗死后的心脏功能，并且通过工程化改造AAV载体，可以提高其在心脏中的特异性表达，减少对其他器官的影响。

图5. AAV及其工程变体作为心脏组织修复的传递载体

【生物衍生纳米颗粒的递送途径】

图6展示了生物衍生纳米粒子在心脏修复中的多种递送途径。最常见的直接递送方法是心肌内注射，尽管它通常需要开胸手术，但已有研究表明其有效性。随着纳米材料、3D打印和生物材料的发展，心脏贴片作为一种优秀的递送策略，因其良好的生物相容性、多功能性和适应心脏特性而被开发出来。例如，Cheng等人设计的可拆卸心脏微针（MN）贴片，携带间充质干细胞分泌因子负载的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）纳米粒子，移植到大鼠心肌梗死模型的心脏上，显著减少了心肌细胞凋亡，抑制了心脏重塑过程，并恢复了心脏功能。此外，Tang等人使用可见光照射将细胞外囊泡（EVs）、明胶甲基丙烯酸酯（GelMA）前体和光引发剂混合物喷涂在心脏上，形成覆盖在心肌梗死心脏表面的GelMA水凝胶网络，物理捕获EVs，保持心脏功能。还有研究探索了通过吸入疗法这种最小侵入性的方法，通过肺快速转移到血液和心肌，可能为心脏病患者提供比口服或静脉注射更快更有效的递送方式。因此，尽管心肌内注射是一种直接有效的递送方式，但新兴的生物材料和微创技术为生物衍生纳米粒子在心脏修复中的递送提供了多种创新途径，这些途径不仅能够提高治疗的有效性，还可能减少患者的痛苦和风险。

图6. 生物衍生纳米颗粒的递送途径

【通过心脏贴片和吸入递送生物衍生纳米颗粒】

图7展示了生物衍生纳米粒子通过心脏贴片和吸入途径进行递送的两种策略。可拆卸的心脏微针（MN）贴片递送间充质干细胞分泌因子负载的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）纳米粒子，这种贴片被移植到大鼠心肌梗死模型上，结果表明，该治疗方式能显著减少心肌细胞凋亡，抑制心脏重塑过程，并恢复心脏功能。此外，通过吸入途径递送药物的策略，其中钙磷酸盐纳米粒子（CaPs）通过吸入给药，能从肺部迅速转移到血液，并最终到达心肌，为心脏病患者提供了一种可能比口服或静脉注射更快速有效的给药方法。心脏贴片和吸入疗法为生物衍生纳米粒子提供了有效的非侵入性递送途径，这些方法不仅能够提高治疗的精确性和效率，还可能减少患者的不适和风险。

图7. 通过心脏贴片和吸入递送生物衍生纳米颗粒

【小结】

本文综述了生物衍生纳米颗粒在心脏修复中的研究进展和应用潜力。尽管基于细胞的疗法在心脏修复中展现出了一定的前景，但由于诸如免疫原性、治疗效果的不一致性、低稳定性等问题，其临床应用结果并不理想。因此，研究者们提出了无细胞策略，主要基于细胞治疗的旁分泌效应，这些策略已在心肌梗死后抑制细胞凋亡、减少炎症、促进细胞迁移和增殖以及血管生成等方面显示出潜力。特别是，包括腺相关病毒（AAV）、细胞外囊泡、细胞膜包被的纳米颗粒和外泌体模拟纳米囊泡在内的生物衍生纳米颗粒，因其改善的生物学功能和治疗效果而成为有希望的策略。这些纳米颗粒易于处理、存储和运输，且可通过合成方式大规模生产，降低成本。此外，它们还可以被修饰和工程化以提高靶向能力和保留率。尽管生物衍生纳米颗粒在心脏修复领域具有巨大潜力，但如何将这些科学成果转化为实际应用仍是一个挑战。本文首先总结了心脏组织修复的关键过程和要求，进一步强调了不同细胞纳米颗粒方式的优势和局限性，并讨论了各种递送方法，为研究人员和临床医生将无细胞心脏修复策略转化为临床实践提供了潜在的途径。我们相信，生物衍生纳米颗粒的进一步发展将为当前心脏修复的临床管理做出重要贡献，并希望这篇综述能够激发研究者和临床医生投入更多努力，寻找治疗心肌梗死和心力衰竭患者的最佳治疗方案。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c07878