心肌補片通過調節(jié)CCR2-巨噬細胞生態(tài)位促進心臟修復的研究

研究背景：

心肌梗死（MI）是冠狀動脈阻塞導致心肌缺氧壞死的心血管疾病。現有療法僅能延緩心衰進展，無法實現心肌修復再生。由支架和治療細胞或生物因子組成的心肌補片（CPs）成為有前景的MI修復策略。理想CP需同時模擬心肌電學和力學性能，并提供生物活性成分增強修復效果。而研究發(fā)現，心臟常駐巨噬細胞（CCR2^- cRMs）是心肌內源性修復的保障。但心梗后，心臟常駐巨噬細胞大量丟失且恢復緩慢，給心梗修復帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

基于此，王樂禹教授、邱小忠教授團隊近期在【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"的相關研究成果。

闡述一種能夠調控心臟常駐巨噬細胞生態(tài)位和細胞互作的功能性彈性導電心肌補片，通過整合外源性彈性導電微環(huán)境和心臟常駐巨噬細胞介導的內源性修復微環(huán)境，為心肌梗死的臨床治療提供新的方向。

功能性心肌補片介導細胞互作促心梗修復的潛在方法

研究方法：
本文采用Langendorff離體心臟灌流技術和電標測技術（Electrical Mapping）檢測不同模型組的正常區(qū)、梗死區(qū)電傳導速度等指標，直接評估正常心肌與梗死心肌之間的電整合能力。

研究結果：

1. PSL/pIL4的制備、表征和細胞內化研究
PSL/pIL4由磷脂酰絲氨酸（PS）修飾的脂質體納米載體和聚醚酰亞胺@IL4 pDNA復合物組成，粒徑為126 ± 14nm，具有高效內化能力。實驗表明，PSL在巨噬細胞中的內化效率最高（93.64%），主要通過網格蛋白介導的內吞途徑實現，且依賴能量供應。PSL/pIL4能夠在10小時內從溶酶體逃逸至細胞質，具有基因遞送的功能。

圖1. PSL/pIL4 的制備、表征和細胞內化

2. PSL/pIL4@pHH CCP的制備、表征及其對心肌細胞功能化的影響
研究用過硫酸銨引發(fā)APMA-HA和HEMA的自由基聚合反應，低溫冷凍得到離子導電水凝膠，通過裝載PSL/pIL4 構建功能性彈性導電心肌補片PSL/pIL4@pHH CCP。具有仿生導電性（0.02 S/m）和機械性能（彈性模量23–46 kPa），模擬天然心肌微環(huán)境。PSL/pIL4納米載體高效內化巨噬細胞，并通過溶酶體逃逸實現IL-4基因遞送，誘導M2型巨噬細胞極化。體外實驗表明，PSL/pIL4@pHH CCP顯著促進心肌細胞（CMs）的功能，增強鈣瞬變同步性和電信號傳導。

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通過調控CCR2^- cRMs的增殖和旁分泌表達，介導CCR2^- cRMs與心肌細胞/心外膜細胞的細胞互作
PSL/pIL4@pHH CCP通過特異性靶向CCR2^- cRMs，顯著促進其增殖（Ki67陽性細胞增加）和修復性細胞因子（如IGF-1、PDGF-CC、CXCL4和Ang-2）的旁分泌，同時避免炎癥因子增加。通過Transwell和共培養(yǎng)系統(tǒng)研究發(fā)現，PSL/pIL4@pHH CCP增強了CCR2^- cRMs與CMs之間的CX43連接，促進電信號同步傳導。此外，CCR2^- cRMs分泌的IGF-1和PDGF-CC激活WT1⁺心外膜細胞向內皮細胞分化，顯著增加內皮標志物（vWF和CD31）的表達。這些結果表明，PSL/pIL4@pHH CCP通過調控CCR2^- cRMs的增殖與旁分泌，協(xié)調其與CMs及心外膜細胞的互作，為心肌修復提供了協(xié)同微環(huán)境。

圖3. PSL/pIL4@pHH CCP調控CCR2⁺ cRMs的增殖與旁分泌調控作用，從而影響心肌細胞（CMs）和心外膜細胞

4. PSL/pIL4@pHH CCP通過調控CCR2^- cRMs與CCR2⁺單核細胞衍生巨噬細胞的比例，糾正心肌梗死后的異常免疫微環(huán)境
PSL/pIL4@pHH CCP在體內通過調控CCR2⁺心臟駐留巨噬細胞（CCR2^- cRMs）與CCR2⁺單核細胞衍生巨噬細胞（CCR2⁺ RMs）的比例，糾正心肌梗死后的異常免疫微環(huán)境。實驗顯示，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，PSL/pIL4@pHH CCP組以修復型CCR2^- cRMs為主。超聲心動圖分析表明，CCR2^- cRMs數量與心臟功能（縮短分數，FS）呈正相關（R²=0.8632），而CCR2⁺ RMs數量與FS呈負相關。這些結果表明，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，促進心肌梗死后的電傳導
PSL/pIL4@pHH CCP通過提高CMs-CMs和CCR2^- cRMs-CMs之間的CX43表達，顯著促進心肌梗死后的電傳導。采用Langendorff離體心臟灌流技術和電標測技術直接評估正常心肌與梗死心肌之間的電整合能力。結果顯示，CCP植入后梗死區(qū)電傳導速度顯著提高（PSL/pIL4@pHH CCP組最高），電壓幅度從3.5 mV增至9 mV。免疫熒光和流式細胞術證實，CCP組中CX43⁺巨噬細胞比例從4.2%增至11.3%。這些結果是由于CCP的導電橋接作用和CCR2^- cRMs的更新。

圖5. PSL/pIL4@pHH CCP的植入通過調節(jié)心肌梗死后4周的CX43表達，改善心肌電整合

6. PSL/pIL4@pHH CCP植入通過調控CCR2^- cRMs與心外膜細胞的細胞互作，激活心外膜細胞的分化潛能并促進血管再生
PSL/pIL4@pHH CCP通過調控CCR2^- cRMs與心外膜細胞的互作，顯著促進梗死區(qū)的血管新生。實驗顯示，在轉基因小鼠中植入 CCP 4周后，CCP組中微血管（vWF⁺）和小動脈（vWF⁺ α-SMA⁺）密度顯著增加，M2型巨噬細胞分泌的血管生成因子進一步支持血管形成。免疫熒光和流式細胞術證實，CCP激活WT1⁺心外膜細胞向內皮細胞和周細胞分化，而非成纖維細胞。超聲心動圖顯示，CCP植入2周后射血分數（EF）和縮短分數（FS）顯著提高。這些結果表明，PSL/pIL4@pHH CCP通過導電微環(huán)境和細胞互作，促進梗死區(qū)血管新生和心臟功能恢復。

 

圖6. PSL/pIL4@pHH CCP植入后激活心外膜細胞的上皮-間質轉化（EMT）并促進梗死區(qū)的血管新生

7. PSL/pIL4@pHH CCP植入有效促進大鼠心肌梗死后的心肌修復
研究發(fā)現，植入CCP顯著改善大鼠心肌梗死后的心臟修復效果。利用超聲心動圖、組織學分析系統(tǒng)發(fā)現CCP能夠顯著減少梗死面積，增加心室壁厚度，顯著增強左心室前壁收縮活動，提高射血分數（EF）和縮短分數（FS），并逆轉左心室擴張。

圖7. PSL/pIL4@pHH CCP促進心肌梗死大鼠的心臟修復

小結：
本研究開發(fā)的功能性PSL/pIL4@pHH CCP通過靶向CCR2- cRMs的增殖和細胞互作，顯著改善心肌梗死后的修復效果。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CCR2-cRMs與CMs之間的CX43表達，并通過旁分泌信號激活心外膜細胞EMT，促進血管再生。此外，CCP通過調節(jié)CCR2- cRMs/CCR2+ RMs的平衡和心臟電傳導，恢復了心臟功能。該研究為構建CCR2- cRMs介導的協(xié)同修復微環(huán)境提供了新策略，為MI治療開辟了新途徑。