心肌梗死(MI)是冠狀動(dòng)脈阻塞導(dǎo)致心肌缺氧壞死的心血管疾病,F(xiàn)有療法僅能延緩心衰進(jìn)展,無法實(shí)現(xiàn)心肌修復(fù)再生。由支架和治療細(xì)胞或生物因子組成的心肌補(bǔ)片(CPs)成為有前景的MI修復(fù)策略。理想CP需同時(shí)模擬心肌電學(xué)和力學(xué)性能,并提供生物活性成分增強(qiáng)修復(fù)效果。而研究發(fā)現(xiàn),心臟常駐巨噬細(xì)胞(CCR2- cRMs)是心肌內(nèi)源性修復(fù)的保障。但心梗后,心臟常駐巨噬細(xì)胞大量丟失且恢復(fù)緩慢,給心梗修復(fù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
基于此,王樂禹教授、邱小忠教授團(tuán)隊(duì)近期在【Cell Reports Medicine】雜志上發(fā)表"A functional cardiac patch promotes cardiac repair by modulating the CCR2− cardiac-resident macrophage niche and their cell crosstalk"的相關(guān)研究成果。
闡述一種能夠調(diào)控心臟常駐巨噬細(xì)胞生態(tài)位和細(xì)胞互作的功能性彈性導(dǎo)電心肌補(bǔ)片,通過整合外源性彈性導(dǎo)電微環(huán)境和心臟常駐巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的內(nèi)源性修復(fù)微環(huán)境,為心肌梗死的臨床治療提供新的方向。
功能性心肌補(bǔ)片介導(dǎo)細(xì)胞互作促心梗修復(fù)的潛在方法
1. PSL/pIL4的制備、表征和細(xì)胞內(nèi)化研究
PSL/pIL4由磷脂酰絲氨酸(PS)修飾的脂質(zhì)體納米載體和聚醚酰亞胺@IL4 pDNA復(fù)合物組成,粒徑為126 ± 14nm,具有高效內(nèi)化能力。實(shí)驗(yàn)表明,PSL在巨噬細(xì)胞中的內(nèi)化效率最高(93.64%),主要通過網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞途徑實(shí)現(xiàn),且依賴能量供應(yīng)。PSL/pIL4能夠在10小時(shí)內(nèi)從溶酶體逃逸至細(xì)胞質(zhì),具有基因遞送的功能。
圖1. PSL/pIL4 的制備、表征和細(xì)胞內(nèi)化
2. PSL/pIL4@pHH CCP的制備、表征及其對心肌細(xì)胞功能化的影響
研究用過硫酸銨引發(fā)APMA-HA和HEMA的自由基聚合反應(yīng),低溫冷凍得到離子導(dǎo)電水凝膠,通過裝載PSL/pIL4 構(gòu)建功能性彈性導(dǎo)電心肌補(bǔ)片PSL/pIL4@pHH CCP。具有仿生導(dǎo)電性(0.02 S/m)和機(jī)械性能(彈性模量23–46 kPa),模擬天然心肌微環(huán)境。PSL/pIL4納米載體高效內(nèi)化巨噬細(xì)胞,并通過溶酶體逃逸實(shí)現(xiàn)IL-4基因遞送,誘導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞極化。體外實(shí)驗(yàn)表明,PSL/pIL4@pHH CCP顯著促進(jìn)心肌細(xì)胞(CMs)的功能,增強(qiáng)鈣瞬變同步性和電信號傳導(dǎo)。
圖2. PSL/pIL4@pHH CCP的制備與表征及其對CMs功能的影響
3. PSL/pIL4@pHH CCP通過調(diào)控CCR2- cRMs的增殖和旁分泌表達(dá),介導(dǎo)CCR2- cRMs與心肌細(xì)胞/心外膜細(xì)胞的細(xì)胞互作
PSL/pIL4@pHH CCP通過特異性靶向CCR2- cRMs,顯著促進(jìn)其增殖(Ki67陽性細(xì)胞增加)和修復(fù)性細(xì)胞因子(如IGF-1、PDGF-CC、CXCL4和Ang-2)的旁分泌,同時(shí)避免炎癥因子增加。通過Transwell和共培養(yǎng)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),PSL/pIL4@pHH CCP增強(qiáng)了CCR2- cRMs與CMs之間的CX43連接,促進(jìn)電信號同步傳導(dǎo)。此外,CCR2- cRMs分泌的IGF-1和PDGF-CC激活WT1+心外膜細(xì)胞向內(nèi)皮細(xì)胞分化,顯著增加內(nèi)皮標(biāo)志物(vWF和CD31)的表達(dá)。這些結(jié)果表明,PSL/pIL4@pHH CCP通過調(diào)控CCR2- cRMs的增殖與旁分泌,協(xié)調(diào)其與CMs及心外膜細(xì)胞的互作,為心肌修復(fù)提供了協(xié)同微環(huán)境。
圖3. PSL/pIL4@pHH CCP調(diào)控CCR2+ cRMs的增殖與旁分泌調(diào)控作用,從而影響心肌細(xì)胞(CMs)和心外膜細(xì)胞
4. PSL/pIL4@pHH CCP通過調(diào)控CCR2- cRMs與CCR2+單核細(xì)胞衍生巨噬細(xì)胞的比例,糾正心肌梗死后的異常免疫微環(huán)境
PSL/pIL4@pHH CCP在體內(nèi)通過調(diào)控CCR2+心臟駐留巨噬細(xì)胞(CCR2- cRMs)與CCR2+單核細(xì)胞衍生巨噬細(xì)胞(CCR2+ RMs)的比例,糾正心肌梗死后的異常免疫微環(huán)境。實(shí)驗(yàn)顯示,MI后第3天,CCR2- cRMs丟失超過80%,而PSL/pIL4@pHH CCP植入后顯著促進(jìn)CCR2- cRMs的更新,抑制CCR2+ RMs的募集和炎癥浸潤。免疫熒光染色證實(shí),PSL/pIL4@pHH CCP組以修復(fù)型CCR2- cRMs為主。超聲心動(dòng)圖分析表明,CCR2- cRMs數(shù)量與心臟功能(縮短分?jǐn)?shù),F(xiàn)S)呈正相關(guān)(R²=0.8632),而CCR2+ RMs數(shù)量與FS呈負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果表明,PSL/pIL4@pHH CCP通過重塑免疫微環(huán)境,有效改善心臟功能。
圖4. PSL/pIL4@pHH CCP的植入調(diào)節(jié)大鼠MI模型中CCR2- cRMs/CCR2+ RMs的比例,從而糾正異常的免疫微環(huán)境并改善心臟功能
5. PSL/pIL4@pHH CCP植入通過提高CMs-CMs和CCR2- cRMs-CMs之間的CX43表達(dá),促進(jìn)心肌梗死后的電傳導(dǎo)
PSL/pIL4@pHH CCP通過提高CMs-CMs和CCR2- cRMs-CMs之間的CX43表達(dá),顯著促進(jìn)心肌梗死后的電傳導(dǎo)。采用Langendorff離體心臟灌流技術(shù)和電標(biāo)測技術(shù)直接評估正常心肌與梗死心肌之間的電整合能力。結(jié)果顯示,CCP植入后梗死區(qū)電傳導(dǎo)速度顯著提高(PSL/pIL4@pHH CCP組最高),電壓幅度從3.5 mV增至9 mV。免疫熒光和流式細(xì)胞術(shù)證實(shí),CCP組中CX43+巨噬細(xì)胞比例從4.2%增至11.3%。這些結(jié)果是由于CCP的導(dǎo)電橋接作用和CCR2- cRMs的更新。
圖5. PSL/pIL4@pHH CCP的植入通過調(diào)節(jié)心肌梗死后4周的CX43表達(dá),改善心肌電整合
6. PSL/pIL4@pHH CCP植入通過調(diào)控CCR2- cRMs與心外膜細(xì)胞的細(xì)胞互作,激活心外膜細(xì)胞的分化潛能并促進(jìn)血管再生
PSL/pIL4@pHH CCP通過調(diào)控CCR2- cRMs與心外膜細(xì)胞的互作,顯著促進(jìn)梗死區(qū)的血管新生。實(shí)驗(yàn)顯示,在轉(zhuǎn)基因小鼠中植入 CCP 4周后,CCP組中微血管(vWF+)和小動(dòng)脈(vWF+ α-SMA+)密度顯著增加,M2型巨噬細(xì)胞分泌的血管生成因子進(jìn)一步支持血管形成。免疫熒光和流式細(xì)胞術(shù)證實(shí),CCP激活WT1+心外膜細(xì)胞向內(nèi)皮細(xì)胞和周細(xì)胞分化,而非成纖維細(xì)胞。超聲心動(dòng)圖顯示,CCP植入2周后射血分?jǐn)?shù)(EF)和縮短分?jǐn)?shù)(FS)顯著提高。這些結(jié)果表明,PSL/pIL4@pHH CCP通過導(dǎo)電微環(huán)境和細(xì)胞互作,促進(jìn)梗死區(qū)血管新生和心臟功能恢復(fù)。
圖6. PSL/pIL4@pHH CCP植入后激活心外膜細(xì)胞的上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化(EMT)并促進(jìn)梗死區(qū)的血管新生
7. PSL/pIL4@pHH CCP植入有效促進(jìn)大鼠心肌梗死后的心肌修復(fù)
研究發(fā)現(xiàn),植入CCP顯著改善大鼠心肌梗死后的心臟修復(fù)效果。利用超聲心動(dòng)圖、組織學(xué)分析系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)CCP能夠顯著減少梗死面積,增加心室壁厚度,顯著增強(qiáng)左心室前壁收縮活動(dòng),提高射血分?jǐn)?shù)(EF)和縮短分?jǐn)?shù)(FS),并逆轉(zhuǎn)左心室擴(kuò)張。
圖7. PSL/pIL4@pHH CCP促進(jìn)心肌梗死大鼠的心臟修復(fù)
小結(jié):
本研究開發(fā)的功能性PSL/pIL4@pHH CCP通過靶向CCR2- cRMs的增殖和細(xì)胞互作,顯著改善心肌梗死后的修復(fù)效果。CCP減少CCR2+ RMs的募集,抑制炎癥浸潤,糾正免疫微環(huán)境。它促進(jìn)CCR2-cRMs與CMs之間的CX43表達(dá),并通過旁分泌信號激活心外膜細(xì)胞EMT,促進(jìn)血管再生。此外,CCP通過調(diào)節(jié)CCR2- cRMs/CCR2+ RMs的平衡和心臟電傳導(dǎo),恢復(fù)了心臟功能。該研究為構(gòu)建CCR2- cRMs介導(dǎo)的協(xié)同修復(fù)微環(huán)境提供了新策略,為MI治療開辟了新途徑。