可注射水凝胶治疗心肌梗死的现状和展望

Abstract

Survivors from myocardial infarction (MI) eventually develop heart failure due to the post-infarct ventricular remodeling which could not be suppressed by existing treatments. Currently, coronary heart disease has become the major cause of heart failure instead of rheumatic heart disease in China. For this reason, seeking effective treatment to prevent post-infarct ventricular remodeling is urgent. Intramyocardial injection of hydrogels as a new strategy for MI treatment has made great progress recently. This review discusses the principle, present status, mechanisms and prospects of injectable hydrogel therapies for MI.

引言

据《中国心血管病报告 2013 概要》公布的数据显示，我国现有心肌梗死（myocardial infarction，MI）患者 250 万人，心力衰竭患者 450 万人。在我国，冠心病已取代风湿性心脏病成为心力衰竭的首要病因^[1]。在美国 45～64 岁人群中，首次发生 MI 后 5 年心力衰竭发生率在男性患者中为 8%，女性患者中高达 18%，65 岁以上人群则高达 20%和 23%^[2]。造成这一局面的原因在于现有临床治疗方案难以有效抑制 MI 后的负性心室重构。当发生急性 MI 后，参与负性心室重构导致心力衰竭的病理、生理过程主要由生物学及力学两方面的恶性循环组成：一方面，心肌细胞坏死、炎性细胞浸润、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）降解构成的生物学恶性循环将会导致梗死扩展、室壁变薄、室壁瘤形成^[3]；另一方面，心室压力升高、室壁变薄、心腔扩张，以室壁应力增加为核心构成的力学恶性循环加剧了残存心肌细胞的功能损伤，使负性心室重构进一步加重^[4]。MI 后负性心室重构的最终结局是导致患者心功能进行性下降、心力衰竭。当前终末期心力衰竭患者唯一可选的治疗方案是心脏移植，但目前供体数量极其有限。因此，很多学者尝试在梗死区补充水凝胶以阻止 MI 后心室重构，改善患者的远期预后。

1. 可用于 MI 治疗的水凝胶

水凝胶是一类以液体为分散介质的聚合物材料，由具有三维网状交联结构的水溶性高分子材料引入疏水基团和亲水基团构成。其中，亲水基团能与水分子结合，将水分子连结在三维网状结构内部，而疏水基团遇水膨胀，使得水凝胶得以维持三维网状结构^[5]。因此，水凝胶既能吸收大量水分，又能维持三维网状结构而不溶解于水，有利于氧气、营养物质及代谢产物的扩散和交换，具有吸水、保水及缓释功能，与生物体内的 ECM 十分相似。另外，水凝胶还能为细胞提供三维立体的生长环境，并为周围组织提供力学支撑^[6]。

由于水凝胶一方面具有类似于 ECM 的结构和功能特点，另一方面能为薄弱的组织提供力学支撑，具备打断 MI 后生物学及力学病理生理恶性循环的条件，因此作为一种新的治疗策略，水凝胶被尝试应用于 MI 的治疗^[7]。

2. 可注射水凝胶治疗 MI 的现状

可注射水凝胶是一类能以液态存在并输送到注射部位，对一定刺激如温度、离子强度等产生应答，迅速完成液-固相转变的水凝胶^[8]，最早用于 MI 治疗是在 2003 年前后^[9]，从最初在大、小鼠等小动物 MI 模型上的探索，到目前进入临床试验，这一领域发展速度惊人。

2.1. 水凝胶单独注射治疗 MI

从生物体内提取的天然水凝胶含特异的细胞作用位点，细胞亲和力好，具有促进新生血管形成、促进细胞归巢、并可调节 MI 后炎症反应等生物学效应。不少学者应用壳聚糖^[10]、透明质酸^[11]、ECM 衍生物^[12]等天然水凝胶注射到 MI 区，通过实验证实天然水凝胶具有保护 MI 后心功能，抑制左室重构的作用，但同时天然水凝胶也存在着来源受限，材料重复性差，结构、力学性能不易人工调节等问题。

合成水凝胶的出现能很好地解决天然水凝胶应用于 MI 治疗所面临的上述问题。有学者采用聚异丙基丙烯酰胺水凝胶^[13]、自组装肽^[14]等注射于 MI 区，能明显阻止梗死瘢痕的扩展与室壁变薄，改善心功能。

2.2. 水凝胶联合生物活性物质注射治疗 MI

将生物活性物质如细胞因子、药物等混入或偶联于液态水凝胶，水凝胶相变成胶后缓慢降解，逐步释放包埋的生物活性物质，从而实现生物活性物质的局部包被及缓释，可在有效提高局部浓度，延长作用时间的同时，避免全身用药带来的不良反应。如 Koudstaal 等^[15]用脲基-嘧啶酮（ureido-pyrimidinone，UPy）水凝胶携带胰岛素样生长因子及肝细胞生长因子，注射于 MI 猪心肌内，较单独注射细胞因子或水凝胶取得了更好的心脏保护效应，且梗死周边区域的内源性心肌干/祖细胞较单独应用水凝胶增加近四倍。Projahn 等^[16]采用不同降解速度的合成水凝胶实现了 MI 后不同物质的时间序贯治疗：快降解水凝胶携带的 N-端甲基化 CC 类趋化因子 5（N-terminal-methionylated Chemokine （C-C motif） ligand 5，Met-CCL5）在注射后 24 小时内释放，可抑制早期白细胞浸润；慢降解水凝胶携带的基质细胞衍生因子-1（Stromal Cell-Derived Factor 1，SDF-1）在注射后 4 周内梯度释放，可募集循环中的造血干细胞归巢。两者混合可抑制 MI 早期白细胞浸润，促进新生血管形成，抑制凋亡，保护 MI 后心功能。

2.3. 水凝胶携带细胞注射治疗 MI

通过细胞移植重建坏死心肌被认为是抑制 MI 后心室重构的一种有效策略。但由于 ECM 降解及心肌舒缩挤压带来的移植细胞在梗死局部存留率过低，以及恶劣的梗死局部微环境造成的移植细胞失巢凋亡，目前坏死心肌重建工作仍无法实现。水凝胶作为 ECM 类似物，在体外可为细胞提供三维生长环境^[6]，在体内可模拟 ECM。水凝胶的应用可能提高移植细胞在梗死局部的植入率。这一设想得到了大量实验证实：如 Yao 等^[17]采用水凝胶携带脂肪来源的间充质干细胞、Chen 等^[18]采用透明质酸携带骨髓单核细胞、Boopathy 等^[19]采用自组装肽携带心脏祖细胞治疗 MI，均取得了比单独水凝胶注射或细胞移植更好的效果，移植细胞在梗死局部的植入率大大提高。

2.4. 水凝胶携带基因治疗 MI

利用带阳离子的水凝胶包埋携带有目的基因的质粒注射到梗死局部，质粒随水凝胶的降解缓慢释放，从而增加质粒与细胞的接触机会，可提高转染效率，在充当转染载体的同时，尚能补充受损的 ECM，为组织提供力学支撑。有学者采用携带有血管紧张素转换酶短发卡 RNA 质粒的水凝胶或携带有血管内皮生长因子 DNA 质粒的水凝胶注射到梗死区^[20-21]，能实现对局部基因表达的调控，提示水凝胶可作为基因载体治疗 MI。

2.5. 可注射水凝胶应用于 MI 的临床治疗

迄今为止，已有三种可注射水凝胶（Algisyl-LVR^TM、IK-5001 及 VentriGel）进入临床试验。Algisyl-LVR^TM 及 IK-5001 的主要成分均为藻酸盐，是最早进入临床试验的水凝胶^[22]。Algisyl-LVR^TM 的 Ⅰ 期临床试验（NCT00847964）纳入 3 名缺血性心肌病患者，在进行冠状动脉旁路移植术时接受 Algisyl-LVR^TM 心肌内注射，6 个月后心脏磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）显示左室舒张末期及收缩末期容积减少，每搏输出量、左室射血分数及室壁厚度增加，计算机模型模拟计算结果显示患者心脏室壁应力明显下降，心肌纤维所受应力各向异性降低^[23]。Ⅱ 期临床 AUGMENT-HF 试验（NCT01311791）证实 Algisyl-LVR^TM 在心衰患者心肌内植入安全可行，可有效改善患者的运动耐量及心衰症状，改善心功能分级^[24]。IK-5001 由以色列学者研发，可通过受损的冠状动脉向梗死区渗透，在梗死局部高钙环境下成胶，但无法通过正常血管，亦无法在钙离子浓度正常的非缺血心肌中成胶。在 MI 修复过程中，IK-5001 逐渐降解，被肌纤维母细胞及结缔组织取代^[25]。Ⅰ 期临床试验（NCT00557531）证实经冠状动脉注射 IK-5001 治疗 ST 段抬高型 MI 安全可行，不影响冠脉血流及心肌灌注，随访 6 个月，患者心功能维持于术前水平，心腔未进一步扩大，N 末端 B 型利钠肽原（N-ter-minal pro-B-type natriuretic peptide，NT-proBNP）逐渐降低^[26]。Ⅱ 期临床 PRESERVATION 1 试验（NCT 01226563）已完成患者纳入工作，预计 2020 年完成^[27]。VentriGel 是通过去细胞技术提取的猪心肌 ECM，可在心脏自动导航系统（NOGA^TM）的引导下经心内膜实现心肌内注射，以 ST 段抬高型 MI 并经皮冠状动脉介入治疗术后的患者为纳入对象的Ⅰ期临床试验（NCT02305602）已于 2015 年 7 月启动^[28]。

3. 可注射水凝胶治疗 MI 的机制

尽管可注射水凝胶治疗 MI 已进入临床试验阶段，但其确切的作用机制却尚未完全明了，推测可能与以下机制有关。

3.1. 生物学机制

3.1.1 促进新生血管形成，改善梗死区血流灌注　　多项研究表明，水凝胶局部注射能促进新生血管形成^{[10-11, 14]}，因此部分学者认为水凝胶注射治疗 MI 的机制在于改善梗死区的血流灌注，挽救顿抑心肌和冬眠心肌，减少心肌坏死。与之相应，不少研究发现水凝胶注射组梗死边缘区细胞凋亡指数明显降低^[29-30]。而部分研究却发现水凝胶注射虽能改善心功能，但并未增加梗死局部新生血管密度^[31]，表明这一机制在心功能改善中发挥了部分作用，但并非决定性环节。

3.1.2 促进干细胞归巢，修复心肌　部分研究表明，水凝胶注射后，梗死局部细胞数量增加，甚至可见岛状新生心肌细胞形成^{[14, 30]}，表明水凝胶具有促进干细胞归巢，修复心肌的作用。但也有不少研究表明水凝胶注射改善心功能与细胞增殖无关^[31]，说明促进干细胞归巢并非水凝胶注射治疗 MI 的关键机制。

3.1.3 代替 ECM，改善微环境　水凝胶具有类似 ECM 的结构和功能，能替代降解的 ECM，保护梗死及周边区细胞，从而抑制梗死扩展。采用水凝胶携带细胞注射于梗死区，能大大提高移植细胞的植入率，说明水凝胶具有类似 ECM 的作用^[17-19]。

3.2. 物理学机制

根据 Laplace 定律，梗死心肌局部注射的水凝胶能增加梗死壁厚度，重塑心室几何形状，减轻室壁应力，同时由于水凝胶的支撑作用，梗死局部矛盾运动减弱或消失，心脏无效做功减少，从而延缓负性心室重构，保护心功能^[32]。动物实验证实，水凝胶心肌内注射对 MI 后左室重构有明显的抑制作用，具体表现为增加瘢痕厚度、抑制室壁变薄及左室扩张、改善心功能^{[10-14, 30]}，且在梗死区注射水凝胶 2 天后，即可在心脏三维超声下观察到梗死局部心肌运动障碍明显改善^[12]。计算机模型亦证实注射生物材料能减轻室壁应力及心肌纤维应力、提高射血分数，且在 MI 后不同病理阶段，生物材料在心肌组织中的分布方式与治疗效果有关：对于 MI 后急性期的治疗，生物材料呈层状分布比团状分布更有利于减轻室壁应力，保护心功能；对于 MI 后慢性期的治疗则恰恰相反^[33]。双轴力学测试证明，心肌内注射透明质酸水凝胶可影响注射区心肌组织的刚度、室壁厚度及各向异性，计算机模拟研究发现其能以各向异性的方式增加注射区的心肌组织刚度，联合注射带来的体积增加效应、各向异性降低效应，可使心肌纤维应力降低^[34]。Algisyl-LVR^TM的 Ⅰ 期临床试验在缺血性心肌病患者心脏得到了相似的结论^[23]。

4. 展望

目前水凝胶注射治疗 MI 已取得了突破性进展，但也有许多问题仍有待研究：水凝胶注射治疗 MI的机制尚未明确；水凝胶的机械强度^[35]、降解速度^[35-36]等物理特性均直接影响治疗效果，孔径大小与物质交换、细胞浸润也有一定联系，但对此尚缺乏系统研究。

关于水凝胶注射的介入时间尚无定论：Kadner 等^[37]合成了一种含基质金属蛋白酶-1 的水凝胶，于 MI 后即刻或间隔 1 周注射，发现即刻注射组水凝胶降解速度过快，心功能无改善，1 周后注射组降解速度慢，心功能改善明显，左室重构被抑制；Yoon 等^[38]对比在 MI 亚急性期（2 周）和 MI 慢性期（4 周）注射透明质酸，发现慢性期注射对心脏的保护作用明显下降；Blackburn 等^[39]分别于 MI 后 3 h、7 d、14 d 将胶原水凝胶注射于小鼠心肌内，发现 3 h 注射对心脏的保护作用最明显，7 d 注射有部分保护作用，而 14 d 注射基本无保护作用，由此说明注射时间的选择需充分考虑 MI 后组织修复过程及水凝胶自身的特点。另外现有研究多以注射后相同时间间隔作为观察终点，忽略了 MI 病程对治疗效果的影响，得出的结论需辨证对待。

目前的研究多以注射后 4 周作为观察终点，无法预示远期治疗效果。水凝胶降解与否以及最优降解速度与延缓心室重构、改善心功能之间的关系尚不得而知。如 Dobner 等^[40]曾观察到如果将聚乙二醇水凝胶注射于梗死区，4 周时梗死壁较对照组增厚，心室扩张被抑制；而到 13 周时，治疗作用却完全消失，且注射局部将会产生明显的异物反应。因此，研究水凝胶注射的远期疗效不仅非常必要，而且势在必行。

2015 年 2 月，Nature 杂志报道了清华大学刘东生教授课题组与英国 Heriot-Watt 大学的舒文淼研究小组合作，实现了水凝胶在活细胞三维打印中的应用，且该水凝胶具有足够的强度能独立维持形状^[41]。也许在不久的将来，通过多学科合作，将水凝胶、生物活性物质、细胞、相关基因甚至三维打印完美结合，能根据 MI 患者的自身特点选择心肌内注射、人工心脏补片替换甚至人工心脏移植，真正实现 MI 后的个体化治疗。

Funding Statement

中央高校基本科研业务费青年教师专项资金（2042014kf0158）；国家自然科学基金（81170307）；国家重点基础研究发展计划973项目（2011CB606202）