四川大学王云兵教授课题组《Biomaterials》：可注射聚苯胺纳米棒/海藻酸盐水凝胶治疗心肌梗死

王云兵教授团队高分子科学前沿 2023-03-12 07:55 发表于浙江

心肌梗死（MI）是导致心功能不全和心力衰竭的首要原因，主要由冠状动脉闭塞引起。MI是一种高发病率、高死亡率、高复发率的致死性冠心病，已成为人类健康的严重威胁。冠状动脉闭塞阻碍梗死心肌组织的氧气和营养供应，引起心肌细胞凋亡和心肌坏死，心室壁变薄，心室扩张。MI后，过度的炎症反应，包括炎症因子的过表达和活性氧（ROS）的过度产生，会引起氧化应激，导致基质金属蛋白酶的激活、胶原蛋白的异常沉积和细胞死亡。高浓度的ROS微环境还会招募成纤维细胞，形成非收缩性瘢痕，破坏心肌的协同电活动，阻断非梗死心肌电信号的传递。因此，抑制心肌梗死后的氧化应激损伤、促进血管生成、减少瘢痕组织、重建电脉冲信号，对于MI的治疗至关重要。
基于此，四川大学生物医学工程学院/国家生物医学材料工程技术中心主任 王云兵教授 课题组 设计了一种基于聚苯胺（PANI）的可注射导电海藻酸盐水凝胶，负载过表达VEGF的腺相关病毒（AAV9-VEGF）用于治疗心肌梗死 。相关工作以“Injectable polyaniline nanorods/alginate hydrogel with AAV9-mediated VEGF overexpression for myocardial infarction treatment”为题，发表于《Biomaterials》上。文章第一作者为四川大学生物医学工程学院武璨博士，四川大学生物医学工程学院/国家生物医学材料工程技术中心主任王云兵教授和张婕妤副研究员为论文通讯作者。

图1. 可注射导电水凝胶的制备及其对MI的治疗作用。采用磺化木质素（LS）作为模板，合成的PANI/LS纳米棒具有高长径比，可以有效地在水凝胶中形成导电网络，且LS作为大分子掺杂剂可以同时增强PANI的亲水性和导电性。此外，PANI可以向自由基转移电子或提供质子，LS含有丰富的邻苯二酚基团，因此PANI/LS纳米棒具有清除ROS的能力。在海藻酸盐（Alg）水凝胶中加入PANI/LS纳米棒，显著提高了水凝胶对ROS的清除能力，有助于消除梗死区心肌组织的氧化应激，重塑梗死区微环境，促进组织修复。这种可注射水凝胶还表现出适应心肌的优异的粘弹性，可以为梗死心肌提供力学支撑，具有与健康心肌相似的电导率，能够促进心肌梗死区的电传导。

图2. PANI/LS纳米棒和可注射导电海藻酸盐水凝胶的表征。梗死心脏的血管生成对MI的修复至关重要，血管化过程包括内皮细胞的增殖、迁移和排列，以及细胞连接和管状结构的形成。负载AAV9-VEGF的水凝胶能有效转染心肌细胞，使其过表达VEGF，促进人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的增殖、迁移和成管。

图3. AAV9-VEGF转染的心肌细胞所分泌的VEGF的生物活性。

图4. 植入Alg-P-AAV水凝胶对MI大鼠治疗效果的组织学分析。 28天后，MI组的左心室前壁大部分被染成蓝色的纤维组织占据，显示出严重的左心室重构。与MI组相比，注射Alg或Alg-P水凝胶可以在一定程度上修复受损的心脏组织。Alg-P-AAV组梗死区和边缘区的纤维化程度最小，且左心室壁最厚。这些结果表明，注射Alg-P-AAV水凝胶可以明显抑制MI后的纤维化和左心室扩张。CX43染色结果显示，植入Alg-P和Alg-P-AAV水凝胶后，梗死区缝隙连接的形成明显增强，有助于梗死区电信号传导的恢复，这对心功能恢复至关重要。综上所述，这种具有多种功能的可注射水凝胶将是一种很有前景的MI治疗策略。 王云兵教授，国家生物医学材料工程技术研究中心主任、四川大学生物医学工程学院院长，国家有突出贡献中青年专家，国务院特殊津贴专家、国际生物材料科学与工程学会联合会Fellow，中国生物材料学会副理事长、科技部生物材料国际交流合作基地主任、教育部组织再生性生物材料科学与工程创新引智基地主任。主要从事心脑血管疾病等治疗的新型生物医用材料和微创介入医疗器械的基础研究与产品应用开发。主持开发了一系列国内、国际首创的心血管医疗器械产品并实现大规模临床应用。在此基础上，已申报国内、国际专利500多项，并在Advanced Materials、Science和Nature子刊等国际知名期刊发表论文200多篇。获教育部技术发明一等奖（2020）、四川省科技进步一等奖（2022）和中国侨界贡献一等奖（2020）等奖项，研究成果被 Nature、麻省理工科技评论、英国经济学人等专题报道。