缺血性心臟?。↖HD）是主要的心臟急癥，全球有數(shù)百萬人受其影響，給全球醫(yī)療體系帶來沉重負擔(dān)。IHD的直接后果是缺血區(qū)域的心肌細胞壞死，若不采用藥物治療和再灌注策略等醫(yī)療干預(yù)措施，這種壞死幾乎無法自行恢復(fù)。心肌細胞和心臟成纖維細胞的過度激活會進一步惡化壞死后的預(yù)后。數(shù)十年的臨床前干細胞治療研究在心肌細胞再生和組織重塑方面取得令人鼓舞的結(jié)果。然而，由于干細胞植入效率有限且對駐留心肌細胞的激活作用不足，僅有少數(shù)制劑實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化。因此，亟需一種有效的治療策略應(yīng)對心肌梗死后的一系列事件——從調(diào)節(jié)免疫細胞浸潤到促進機體自我修復(fù)過程。

基于此，浙江大學(xué)張宇琪、顧臻和南京大學(xué)顧竹笑團隊開發(fā)一種可植入的電活性裝置，能夠利用干細胞療法和心肌細胞修復(fù)技術(shù)實現(xiàn)有效的心臟功能恢復(fù)。借助具有80 mm3空腔的壓電微針貼片，1.5×105個間充質(zhì)干細胞可被高效遞送至梗死部位，并在體內(nèi)持續(xù)更長時間以產(chǎn)生持續(xù)的旁分泌效應(yīng)。與此同時，由聚（L-乳酸）微針基質(zhì)產(chǎn)生的壓電刺激進一步增強干細胞活性，并在心肌細胞中引發(fā)更強烈的自我修復(fù)反應(yīng)。在大鼠心肌梗死模型中，該方法能夠有效抑制炎癥單核細胞、減輕心肌細胞壞死并改善心臟重構(gòu)。

相關(guān)研究成果以“Electroactive microneedle augmented stem cell therapy in myocardial infarction”為題發(fā)表在《Science Advances》。

本研究通過使用可植入的電活性微針貼片（IEMP）顯著提升移植的骨髓來源間充質(zhì)干細胞（BMSCs）的治療潛力。該生物工程平臺能夠在急性心肌梗死（MI）的局部細胞遞送過程中維持較高的細胞存活率和功能活性，同時通過壓電刺激促進細胞間通訊及自我再生能力。在大鼠MI模型中，IEMP增強的BMSCs發(fā)揮出持久的治療作用：不僅擴展其旁分泌活性，還促進血管生成并抑制瘢痕組織形成（圖1A）。IEMP具有12個鈍頭針尖，每個針尖均具有約80 mm3的大細胞封裝腔室及24個用于培養(yǎng)基更換的通道（圖1B）。聚二甲基硅氧烷（PDMS）底模上的24個擠出部件頂起上模，使熔融 PLLA 形成24個孔洞（圖1C、D）。每個尖部尺寸為：高度1 mm、半徑1 mm、中心間距2 mm（圖1E）。這些穿孔內(nèi)側(cè)的測量面積范圍為2.40~7.52×103 μm2 ，外側(cè)面積范圍為1.16~104 μm2（圖1F）。因此，每個尖部上的24個穿孔為植入的BMSCs與駐留細胞之間提供充足的交換通道。

IEMP采用過冷成型工藝制造，過程中使用了由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2μm）打印的兩個模具（圖2A）。經(jīng)過冷處理的PLLA在傅里葉變換紅外光譜中于1747和1757cm-1處顯示出兩條特征譜帶，表明隨著時間推移發(fā)生偶極排列和相變（圖2B）。X射線衍射（XRD）結(jié)果詳細揭示這一轉(zhuǎn)變過程：部分核成功轉(zhuǎn)變?yōu)棣潞?，且β相隨處理時間延長而顯著增長（圖2C）。β相的形成也影響了PLLA的熔化行為，其熔點略微升高至166°C（圖2D）。為準(zhǔn)確測量PLLA的壓電性能，用硅膠密封IEMP或PLLA薄膜以防止外部干擾（圖2E）。IEMP面積為63.6 mm2（直徑9mm），在低超聲強度（0.5 W/cm2）條件下可產(chǎn)生約4.6 V的穩(wěn)定電信號輸出（圖2F）。將超聲強度提高至1.1 W/cm2后，電壓輸出進一步增加至5.6 ± 0.2 V（圖2G）。通過增加表面積捕獲超聲探頭的能量（9.62 × 102 mm2）（圖2H），可進一步提升電壓生成效率。延長的過冷處理過程顯著改善IEMP器件的壓電性能（圖2I）。因此，確定采用2小時的過冷時間制備該器件，以平衡其電性能與機械性能。為進一步驗證壓電效應(yīng)的主導(dǎo)作用，在離體實驗條件下于豬皮膚上測試該IEMP的性能（圖2J）。PVA微針貼片由于組織內(nèi)的緩沖效應(yīng)，其電壓輸出顯著降低。相比之下，PLLA IEMP產(chǎn)生的電壓輸出高于體外實驗條件下的數(shù)值。這種性能提升可歸因于超聲能量在生物組織中的傳輸效率更高（圖2K）。

接下來評估將BMSCs裝載到IEMP中的可行性。在細胞裝載過程中，將1.5×105BMSCs置于50 μl含4%明膠的DMEM中，注入IEMP腔內(nèi)。共聚焦圖像證實，Dil標(biāo)記的BMSCs從針尖至針底占據(jù)整個針體（圖3A）。細胞在IEMP中孵育6小時后，其存活率未見明顯下降（圖3B）。將IEMP浸入培養(yǎng)基10分鐘后，未觀察到明顯的細胞泄漏，表明IEMP能有效固定干細胞（圖3C）。進一步研究BMSCs從IEMP中釋放到甲基丙烯酸明膠（GelMA）水凝膠介質(zhì)中的行為：若BMSCs未經(jīng)固定直接加載，IEMP中的固化明膠凝膠在生理條件下會液化，嵌入其中的BMSCs會迅速穿過孔隙遷移至介質(zhì)中（圖3D）。利用BMSCs固有的成纖維特性，使其能夠自發(fā)黏附于IEMP內(nèi)表面：在裝載后將IEMP保持靜止1小時，可在釋放開始后20分鐘內(nèi)實現(xiàn)76.5±3.4%的細胞附著率；將靜止時間延長至4小時，細胞附著率進一步提升至約96.4%（圖3E）。在GelMA凝膠中孵育24小時后，BMSC密度顯著增加，表明細胞在IEMP內(nèi)擴散并定植（圖3F）。

除確認細胞存活率外，進一步研究IEMP產(chǎn)生的壓電刺激對BMSCs和心肌細胞的影響。施加外部電場2分鐘后，BMSCs仍保持持續(xù)存活狀態(tài)（圖4A）。僅部分BMSCs在長時間電刺激后喪失活性（圖4B）。在超聲IEMP刺激下，大多數(shù)細胞能夠耐受超聲功率強度的增加，并產(chǎn)生壓電效應(yīng)（圖4C）。BMSCs的存在顯著降低缺氧條件下心肌細胞的凋亡率，主要歸因于這些干細胞釋放的旁分泌因子（圖4D）。人臍靜脈內(nèi)皮細胞的管狀形成實驗進一步表明，IEMP中的BMSCs具有血管生成潛能，而僅由IEMP產(chǎn)生的壓電效應(yīng)則不具備此潛能（圖4E）。經(jīng)電刺激的BMSCs表現(xiàn)出增強的旁分泌效應(yīng)，從而促進再生能力。經(jīng)過為期3天的周期性壓電刺激后，檢測到BMSCs中Vegfa、Hgf和Igf-1的mRNA水平顯著升高（圖4F）。這些增強效應(yīng)在mRNA和蛋白質(zhì)水平上均持續(xù)維持7天，表明BMSCs具有長期治療潛力（圖4F）。通過mRNA表達分析，進一步揭示BMSCs與壓電效應(yīng)對心肌細胞的協(xié)同治療作用（圖4G）。

基于IEMP對心肌細胞的保護作用，在大鼠急性MI模型中評估裝載BMSC的IMEP的治療效果（圖5A）。借助IEMP的作用，植入的BMSCs存活時間較心內(nèi)注射組更長（圖5B）。MI大鼠的HE染色圖像顯示，第2天可見大量單核細胞浸潤及膠原沉積（圖5C）。為更深入闡明電刺激對單核細胞亞群的影響，采用兩種鑒定標(biāo)志物——His48和CD43，以區(qū)分經(jīng)典（炎癥性）與非經(jīng)典（抗炎性）單核細胞。骨髓來源巨噬細胞的流式細胞術(shù)分析表明，施加0.5 V電壓可顯著降低經(jīng)典單核細胞與非經(jīng)典單核細胞的比例，這一趨勢在第3、7天接受IEMP/BMSC 處理的大鼠中同樣顯現(xiàn)（圖5D）。在大鼠心臟中引入IEMP/BMSC后，炎癥性單核細胞的比例顯著降低，可能減輕梗死周邊區(qū)域的附帶損傷。這一點從第7天起左心室前壁收縮功能受損到證實：盡管具有這種免疫調(diào)節(jié)作用，但單純電刺激仍不足以挽救缺血心?。▓D5E）。第28天的Masson三色染色結(jié)果顯示，與PVDF組和IEMP組相比，前壁組織厚度顯著增加，纖維化形成區(qū)域更小（圖5F）。

連接蛋白43（Cx43）的可視化結(jié)果顯示：與其它處理組相比， IEMP/BMSC組梗死區(qū)域內(nèi)其余心肌細胞的縫隙連接蛋白表達水平更高（圖6A），表明該區(qū)域的電耦合與代謝通訊功能增強。此外，在BMSC組和IEMP/BMSC組中，邊界區(qū)域與梗死區(qū)域的血管數(shù)量均有所增加（圖6B）。通過心肌肌鈣蛋白T標(biāo)志物定量分析其余由邊界處血管生成區(qū)域及梗死區(qū)域支持的心肌細胞（圖6C）。

總結(jié)：本研究開發(fā)一種可植入的電活性裝置，能夠封裝大量BMSCs，實現(xiàn)向心臟的靶向、持續(xù)遞送，并保持細胞高存活率和功能活性。該平臺實現(xiàn)BMSCs與心肌細胞之間的有效細胞間通訊，電刺激進一步增強BMSC的旁分泌效應(yīng)，同時最大限度地減少組織損傷。在大鼠MI模型中，IEMP裝置有助于BMSCs在左心室前壁長期滯留。經(jīng)電刺激增強的BMSCs可作為持久的旁分泌源，并在早期階段抑制炎癥單核細胞表型。因此，心臟表現(xiàn)出纖維化重塑減少以及心肌細胞存活率提高。除增強BMSC的作用外，將電力引入心臟治療技術(shù)已在自供電納米發(fā)電機中展現(xiàn)出顯著療效——該技術(shù)能利用心跳節(jié)律彌補心臟功能的喪失。未來的集成式自供電壓電發(fā)生器有望取代對超聲驅(qū)動裝置的需求。