香烟过滤嘴衍生的心脏贴片可修复心肌梗死

研究背景：

心肌梗死（MI）由冠状动脉供血阻塞引起，是全球心血管病患者发病和死亡的主要原因。MI后，心肌内积累的活性氧自由基（ROS）会形成异常微环境，严重影响血管生成并破坏细胞内稳态，最终导致大量心肌细胞（CMs）死亡。原有的有序心肌被无序的纤维化瘢痕组织所取代，导致心脏收缩异常、电信号传导不规律，引起不可逆的心力衰竭。目前对MI的常规治疗只能减缓疾病而不能恢复受损的心肌功能。因此，需要探索一种有效的心脏修复治疗策略。

基于此，南方医科大学邱小忠教授/王乐禹教授团队在《Bioactive Materials》期刊发表题目为“A cigarette filter-derived biomimetic cardiac niche for myocardial infarction repair”的研究文章。

本研究利用香烟过滤嘴作为原材料，构建含有单宁酸（TA）和Cu²⁺的功能性心脏贴片（CP），为MI治疗提供了思路。该CP能够促进心肌细胞的各向异性排列、抗氧化和血管生成，从而改善心脏功能。

方案1. 关于香烟过滤嘴衍生心脏贴片（CP）的制备及其对梗死心脏的修复效果的示意图

研究方法：

文中采用64通道电标测技术（Electrical Mapping，MappingLab Limited，UK）评估了大鼠心脏正常和梗死心肌之间电信号传导，使用EMapScope软件分析电传导时间、传导速度、振幅等信号的变化。

研究结果：

1、香烟过滤嘴衍生支架的制备和表征

首先处理香烟过滤嘴，将其转化为纤维束材料，保留纤维束的定向性结构。然后，将壳聚糖和单宁酸（TA）以及铜离子（Cu²⁺）复合物加入纤维束材料中，制备具有不同表面特性的支架。SEM-EDS分析表明，支架表面的修饰是有效的，并且铜元素均匀分布在其中。此外，通过循环压缩测试评估了支架的力学性能，结果表明支架具有合适的弹性模量和抗性。电性能测试显示，支架具有与自然心肌相似的电导率，并且在TA-Cu复合物修饰后，支架的电导率显著增加。最后，将支架连接到LED上检测其对电流的影响，结果显示修饰后的支架具有压电效应，这可能更准确地模拟心肌细胞的电生理环境，适用于心脏组织工程（图1）。

图1. 不同支架的表征

2、仿生Cig/(TA-Cu)支架促进心肌细胞的定向生长

使用F-actin染色显示了Cig支架相对于CF支架对细胞具有更有利的黏附和排列。接着，通过 live/dead 染色和CCK-8测定确定了Cig、Cig/TA和Cig/(TA-Cu)支架对CMs的良好生物相容性。此外，通过SEM观察了支架中CMs的形态，发现在Cig/TA和Cig/(TA-Cu)支架上的CMs扩展良好，而在Cig支架上扩展较差。最后，使用F-actin染色检查不同支架中CMs的伸长和定向情况，结果显示Cig/(TA-Cu)支架上的CMs表现出最佳的定向生长（图2）。

图2. CMs在Cig/（TA-Cu）上的生长和排列

3、仿生Cig/(TA-Cu)支架促进心肌细胞的成熟及对功能的影响

Cig/(TA-Cu)支架能够促进CMs的成熟和细胞间连接的形成，加快心肌细胞同步钙信号传播，这表明其具有促进心肌细胞功能的潜力。研究假设Cig/(TA-Cu)支架载有心肌细胞后，促进心肌细胞的增殖和修复，改善瘢痕组织和健康心肌之间的电传导，从而促进心脏的同步跳动，可能有助于MI修复（图3）。

图3. Cig/(TA-Cu)支架对心肌细胞成熟和功能化的影响

 

4、仿生Cig/(TA-Cu)支架减轻体外氧化应激损伤

研究表明，Cig/(TA-Cu)支架具有显著的抗氧化活性，能够有效清除自由基，包括DPPH自由基和超氧阴离子。此外，该支架还能够分解过氧化氢和抑制羟基自由基的产生，而在细胞水平上，支架能够减轻氧化应激造成的细胞损伤，降低细胞内ROS的生成。总之，该支架具有改善有害ROS微环境并促进CMs存活的潜力（图4）。

图4. Cig/（TA-Cu）支架的抗氧化能力

 

5、仿生支架Cig/(TA-Cu)在体外促进血管生成

通过增殖实验、划痕实验和管状结构形成实验检测不同支架对血管生成的影响。结果显示，与其他组相比，Cig/(TA-Cu)组的支架具有更好的生物相容性，可以促进内皮细胞的增殖、迁移和管状结构形成。这些结果表明，Cig/(TA-Cu)支架可能通过其TA-螯合Cu²⁺功能化平台中的Cu²⁺，在促进血管生成方面发挥了重要作用（图5）。

图5. Cig/(TA-Cu)支架的体外促血管生成作用

 

6、仿生Cig/(TA-Cu) CP植入清除了梗死区域的ROS并减少心肌细胞凋亡

将仿生心肌片（CPs）植入患有心肌梗死的大鼠心脏中，发现支架能够显著降低心肌损伤并减少心肌细胞凋亡。进一步的实验结果显示，植入的支架能够有效清除细胞内的氧化应激物质，并提高抗氧化酶活性，从而促进心肌细胞的恢复和心肌功能的改善。

图6. Cig/(TA-Cu) CP植入后3天对梗死心肌中ROS清除和抗凋亡作用的评估

 

7、仿生Cig/(TA-Cu) CP植入促进心梗后心脏电传导及心肌修复

先前的研究发现，具有导电性的CPs能够改善心肌梗死区的电学整合，这对于心肌梗死的修复至关重要。大鼠心脏手术第28天，取出心脏，使用电标测系统测量正常和梗死心肌组织之间的电传导速度和局部电位幅度来评估不同CPs对电学整合的影响。结果显示，植入Cig CP、Cig/TA CP和Cig/(TA-Cu) CP后，心肌梗死区的电传导速度明显提高，而且Cig/(TA-Cu) CP组表现出最高的传导速度。此外，Cig/(TA-Cu) CP的植入还显著提高了局部电位幅度（图7）。

通过检测植入不同CPs后梗死区的CX43蛋白表达水平，评估了电学整合水平。结果显示，在Cig/(TA-Cu)组中，CX43蛋白表达较多，同时与CX43蛋白共定位的α-actinin阳性心肌组织也多。这些结果表明，Cig/(TA-Cu) CP通过降低心肌细胞凋亡和促进心肌组织的存活，促进心肌梗死区的电学整合（图8）。

图7. Cig/(TA-Cu) CP植入后28天心肌梗死区电传导的重建

图8. Cig/(TA-Cu) CP在植入28天后对大鼠心肌梗死模型的修复效果

研究结论：

该研究成功将废旧的香烟过滤嘴改造成一种Cig/(TA-Cu)的功能性生物仿生材料，用于修复心肌梗死。通过对香烟过滤嘴进行简单的表面修饰，赋予Cig/(TA-Cu)材料良好的纤维微结构、电导率和机械性能，使其具备类似天然心肌的特性，这种材料能够抑制自由基、减少心肌细胞凋亡、增强心肌细胞同步收缩和促进血管生成，从而改善心脏功能和修复心肌梗死。研究结果表明，废旧的香烟过滤嘴能够成为构建各向异性生物仿生材料的可行、低成本的资源。