无需心脏直视手术,心脏贴片注射修复受损心脏组织


图片来源:Nature Materials

心脏病发作后,心脏组织往往严重受损,需要侵入式的心脏直视手术来修补受损组织。而此时的心脏功能极大减弱,手术给病人带来的风险大大超过它的收益。因此,这种方法不仅危险,更极大限制了病人的康复疗效。

但现在,多伦多大学(University of Toronto) 的生物医学工程教授Milica Radisic博士和她的同事开发出了一种新的技术,使人们有可能无需再打开胸腔,便可使用小针来注射心脏修复贴片。


Milica Radisic博士

Radisic的团队是利用聚合物架构,在实验室中培育人体组织仿真3D切片的专家。他们的一项发明AngioChip,是一种含有血管的小块心脏组织,其中的心脏细胞甚至可以有规律的跳动。

在经历了数十次尝试之后,研究人员们发现了一种符合目标机械性质的设计,并且有形状记忆的行为:当它从针头中注射出来的时候,它会展开,形成一个绷带。

心脏贴片的理想生物材料需要能够支持数千个伸展周期而不变形,又不会阻碍心脏收缩和松弛。研究人员们选择了一种可通过紫外交联的弹性聚合物POMAC。这一聚合物被证明具有可调控的力学性能,并且可生物降解,在体内表现出无毒和极小的炎症特性。研究人员采用傅立叶变换红外光谱(FTIR)和核磁共振(NMR)光谱学分析的方法,通过缩聚反应合成了POMAC预聚体。

之后,通过使用软刻蚀和注射模型,研究人员制造了六种有形状记忆的聚合物架构,以找到折叠后回到原来的形状的最好架构。这些架构的尺寸为1厘米×1厘米×0.1毫米。最终,研究人员选择了钻石形的设计,因为与椭圆形的设计相比,钻石形的设计中出现的直线和凹槽可以帮助细胞的导引和延伸。

可注射心脏贴片在特制的生物反应器中培养,并配上碳电极。使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)固定支架,在细胞培养和刺激的过程中保持其结构,防止组织滚动和压实。心肌细胞通过支架上的PDMS连接,环绕支架的四周。在7天的培养过程之后,由于聚合物架构的抗压性和高弹性,可以平面压缩和宏观运动,并与组织同步收缩。

皮下注射7天后,研究人员发现,手术植入与注射的心脏贴片之间表现出相似的形态和特性。在这两种类型的贴片中,都可以找到心肌肌钙蛋白T(cTnT)阳性细胞,而且在注射的贴片中,有明显更高的cTnT水平。手术组和注射组CD31(标签内皮细胞)和平滑肌肌动蛋白(SMA)的水平也相差不远。对这些贴片的炎症反应没有明显不同。当放置在健康的大鼠心脏上时,与聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)对照物相比,宿主对POMAC聚合物架构的反应没有明显差异。研究小组还发现,在心脏病发作后,将贴片注射到老鼠的心脏里可以改善心脏功能,受损的心室泵出的血液比没有贴片时多。随着时间的推移,支架会自然分解,只留下新的组织。

这种聚合支架在维持细胞生存和功能的同时,微创性的在体内的输送柔软的心脏贴片。然而,这种方法仍然需要经验丰富的全身麻醉医生,因此仍然含有外科手术的风险。随着微创手术走向标准化和低成本,这种聚合物架构的设计将有助于转化医学的研究。

这项研究的主要研究员,论文的第一作者Miles Montgomery先生说: “当我们看到实验室培育的心脏组织功能正常,不受注射过程的影响时,这非常令人兴奋。心脏细胞非常敏感,如果我们可以在心脏上使用它,我们也可以在其他的组织上这样做。”

Radisic博士说:“这种贴片不能使心脏恢复到完全健康的状态,但如果它能在人类身上使用,我们认为它将显著改善病人的生活质量。”

在准备进行临床试验之前,这项发明还有很长的路要走。Radisic和她的团队正在与医院的研究人员合作,以评估这些贴片的长期稳定性,以及是否能够持续改善心脏功能。他们申请了这项发明的专利,并正在探索在其他器官(如肝脏)中这款贴片。

参考资料

[1]Injectable tissue patch could help repair damaged organs

[2]Flexible shape-memory scaffold for minimally invasive delivery offunctional tissues

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