背景介绍
心血管疾病（Cardiovascular diseases, CVD）是全球死亡和疾病负担的主要病因。2020年12月9日，美国心脏病学会杂志（JACC）发表了一项研究《Global Burden of Cardiovascular Diseases and Risk Factors, 1990–2019: Update From the GBD 2019 Study》，其中2019全球疾病负担研究（GBD）数据估计，2019年缺血性心脏病患病人数为1.97亿。2019年有914万患者死亡归因于缺血性心脏病。
缺血性心脏病的主要病因是冠状动脉粥样硬化引起管腔狭窄或闭塞，导致冠状动脉供血减少。由于长期的心肌缺血缺氧，引起心肌细胞减少、坏死，及心肌纤维化，引发缺血性心脏病。
目前的主要治疗手段包括口服药物治疗以及手术治疗，由于成人心肌细胞没有自我更新能力，现有的治疗手段只能暂时缓解症状，并不能使心脏组织恢复到患病前的活性。经过前期研究人员的探索，证实干细胞可以替代坏死的心肌细胞从而恢复心肌的结构和功能1。
但是干细胞的治疗效果目前仍没有被广泛接受，主要原因是干细胞在心肌组织处的植入率低。以往用于心血管研究的干细胞递送主要依赖于简单的注射递送系统，但心肌梗死区域的细胞外结构消失，无法为干细胞提供适宜的生长环境，因此仅显示出5~10%的初始保留率。
许多天然和合成来源的生物材料已通过各种制造技术用于制造工程心脏补片。其中，采用静电纺丝技术制备的纤维支架被越来越多地用于功能性心脏组织。但是使用静电纺丝的一个问题是纳米纤维结构虽然具有很高的生物活性，但却会阻碍细胞迁移到支架上。
本研究实验设计
基于干细胞的原位保留率不理想，以及纳米显微结构阻碍细胞迁移，Jung Hee Wee等研究人员利用独立多喷嘴专利静电纺丝技术设计了一种基于胶原蛋白与聚(D, L -乳酸-共乙醇酸)PLGA组成的微米/纳米双模态心肌补片，并以此为基础负载干细胞进行心肌修复的研究。
1.心肌补片结构及作用
微米级的PLGA纤维可以模拟3D细胞外基质（ECM）结构，纳米级的胶原纤维模拟ECM纤维的局部粘附结构，起到协调组织发育和维持的细胞行为的作用。胶原蛋白溶液的浓度4,5,6wt%，在25kV功率和1.2mL/h流速下纺丝，可以避免胶原蛋白串珠纤维的形成。静电纺纤维样品的厚度为500±10μm。如下图所示：Col/PLGA贴片的SEM图像及其纤维直径分布。所有样品中PLGA纤维的直径范围为0.5和1.5μm，而胶原纤维的直径范围为50-250nm。
2.心肌补片的机械性能检测
拉伸强度和伸长率均随胶原含量的增加而降低，但差异不显著；
3.干细胞接种
本实验采用兔子骨髓间充质干细胞（BMSCs），心肌补片剪切成直径为1.2cm，干细胞的接种密度为1*106/每个补片。在移植前，体外培养2天。使用GFP标记干细胞进行移植后的追踪。通过在体外培养BMSCs发现在6%Col/PLGA浓度下，细胞的增值效果最好，后续试验在该浓度下进行体内实验；
4.动物实验
实验分为三个实验组
1、假手术组（Control）
2、心肌梗死组（MI）
3、心肌梗死组+补片治疗（Patch）
与MI组 (1.28±0.22cm) 相比，Patch组的梗塞长度 (0.46±0.15cm) 显著减少了约3倍（图b）。Patch组 (0.51±0.12cm2)的LV壁厚度比MI组 (0.24±0.02cm2) 增加了大约2倍（图c）。
5.BMSCs 保留能力
用近红外光谱（NIR）纳米粒子标记细胞可以追踪移植的BMSCs并监测它们的迁移。移植开始时，在移植区发现了干细胞，之后，干细胞沿着冠状动脉左前降支（LAD）迁移，最终注入到心脏的大部分心肌组织中。（如下图所示）。
6.超声心动图表现
通过超声心动图计算的左心室缩短分数和左心室射血分数证实，与MI相比，移植带有心脏补片的BMSCs显着改善了心肌收缩力。用于MI模型建立的LAD的结扎显着降低了心脏功能。然而，补片组使MI组的LVFS和LVEF分别增加了191%和 158%。特别是，与假手术组的左心室缩短分数(51.3%) 和左心室射血分数 (86.1%)相比，补片治疗组分别达到正常值的75%和95%。
7.心肌再生机制
通过实时PCR检测BMSCs的旁分泌对宿主组织中RNA相关表达的影响。与对照组和MI组相比，在心脏补片治疗组中发现VEGF和TGF-β的强表达。同时也导致vWF和SM22α上调，表明心脏贴片治疗组出现心血管再生。心肌素和GATA-4的表达水平也显著增高，从而增强心肌细胞的存活和维持心脏功能。
总结
本文作者设计了一种混合微米/纳米模态的心肌组织补片，克服了原有心肌补片的缺点，可以长期将干细胞保留在宿主部位，并促使干细胞表达和分化，进而改善心脏功能。
参考文献：
[1] Wee JH, Yoo KD, Sim SB, Kim HJ, Kim HJ, Park KN, Kim GH, Moon MH, You SJ, Ha MY, Yang DH, Chun HJ, Ko JH, Kim CH. Stem cell laden nano and micro collagen/PLGA bimodal fibrous patches for myocardial regeneration. Biomater Res. 2022 Dec 13;26(1):79.
