香烟过滤嘴衍生的心脏贴片可修复心肌梗死

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

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

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