水凝膠改善心肌梗死后心臟生物力學(xué)重構(gòu)的研究進(jìn)展

李彬 蔣學(xué)俊

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院心內(nèi)科 武漢大學(xué)心血管病研究所 心血管病湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢430060)

據(jù)《中國衛(wèi)生健康統(tǒng)計(jì)年鑒2019》[1]顯示，2018年中國城市居民冠心病死亡率為120.18/10萬，農(nóng)村居民冠心病死亡率為128.24/10萬，較2012年顯著增加。經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療已是十分成熟的再灌注治療方法，能有效降低患者死亡率，但許多患者在心肌梗死后發(fā)生嚴(yán)重的并發(fā)癥——心力衰竭，直接影響患者預(yù)后，其5年生存率為50%[2]。

由于心肌細(xì)胞不能再生，現(xiàn)有治療方法無法改善心肌梗死后的心肌細(xì)胞數(shù)量減少(收縮功能受損)，心肌細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)降解(機(jī)械支持受損)，導(dǎo)致心臟力學(xué)的矢量方向、性質(zhì)和大小改變，最終進(jìn)展為終末期心力衰竭[3-4]。終末期心力衰竭最有效的治療方法是心臟移植，但臨床實(shí)踐中許多患者很難有機(jī)會(huì)獲得匹配的供體器官，順利完成移植手術(shù)[5]。因此進(jìn)一步了解心臟的生物力學(xué)特點(diǎn)以及尋求改善梗死后生物力學(xué)的方法顯得尤為重要。

水凝膠是一種三維立體高分子生物材料，具有生物相容性的特點(diǎn)，且與ECM結(jié)構(gòu)相似，將水凝膠注射到梗死部位可以代替ECM從而達(dá)到減緩心肌梗死后心臟力學(xué)的重構(gòu)，提高心肌梗死患者5年生存率?，F(xiàn)就水凝膠改善心肌梗死后心臟力學(xué)重構(gòu)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，以期為減輕心肌梗死后心臟重構(gòu)，提高5年生存率提供一定的啟發(fā)。

1 心肌組織的生物力學(xué)以及心肌梗死后的心臟生物力學(xué)改變

心臟作為給全身供血的機(jī)械泵，其自身的生物力學(xué)環(huán)境的衡態(tài)顯得十分重要，其中以維持心肌ECM彈性的相對(duì)穩(wěn)態(tài)最為重要。彈性是指物體發(fā)生形變后，能恢復(fù)原來大小和形狀的性質(zhì)，其衡量參數(shù)是彈性模量，又稱楊氏模量，它是一個(gè)可以體現(xiàn)物體本身力學(xué)性質(zhì)的物理量。人正常心肌的彈性模量在0.02～0.50 MPa的范圍動(dòng)態(tài)改變[6]，由于心肌組織剛度在收縮期增加而舒張期減小，即心肌組織彈性具有周期性變化[7]。

冠心病是一種常見的心血管疾病，當(dāng)不穩(wěn)定斑塊發(fā)生破裂時(shí)會(huì)導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈栓塞并破壞心肌的供能平衡。再灌注治療能降低急性心肌梗死帶來的死亡率，但是并不能降低心肌梗死后心力衰竭的發(fā)生率[2]。研究發(fā)現(xiàn)心肌梗死后，心肌的彈性模量會(huì)發(fā)生變化，Berry等[8]發(fā)現(xiàn)，小鼠心肌梗死區(qū)域的彈性模量(55 kPa)是對(duì)照組(18 kPa)的3倍；馬鑫等[9]的研究得出了相似的結(jié)論，他們還發(fā)現(xiàn)在心肌梗死的24 h內(nèi)，梗死區(qū)域的彈性模量會(huì)呈現(xiàn)出先降后升的趨勢，該現(xiàn)象與急性心肌梗死發(fā)生后的一系列病理改變(心肌細(xì)胞壞死，最終由纖維蛋白替代)是相符的。目前研究認(rèn)為心肌梗死發(fā)生后的彈性模量改變主要是ECM的降解，而心肌細(xì)胞的丟失所占比例不大。

2 心肌梗死后的可注射水凝膠治療

既往對(duì)心肌梗死治療的研究多是圍繞著心肌梗死后的生化水平的改變，因此單獨(dú)或聯(lián)合運(yùn)用生物分子、細(xì)胞、藥物來改善心肌梗死后的心力衰竭。傳統(tǒng)治療難以完全改善心肌梗死后的生物力學(xué)環(huán)境，單純使用心臟支持裝置可改善心功能，僅是為心室提供一定的支撐力(即具有一定的剛度)來抵抗增加的室內(nèi)壓，部分改善心肌梗死后力學(xué)環(huán)境，進(jìn)而防止梗死后心室的擴(kuò)張和降低室壁應(yīng)力，確有逆轉(zhuǎn)梗死后心力衰竭的功能[10-11]。另外，左心室輔助系統(tǒng)還可以幫助心臟泵血，減輕存活心肌的機(jī)械負(fù)荷，改善心功能，均證明力學(xué)環(huán)境的改善是治療心肌梗死后心力衰竭的研究新方向[12]。心臟支持系統(tǒng)的植入操作具有侵入性、創(chuàng)傷性和排斥性，隨著生物材料的研發(fā)進(jìn)展，水凝膠作為一種三維生物材料，具有與ECM高度相似的結(jié)構(gòu)特性，富含多孔結(jié)構(gòu)和親水基團(tuán)的支架系統(tǒng)，可以與水分子結(jié)合以保持高含水量[13]。由于其獨(dú)特的滲透性、生物降解性和生物相容性，在組織工程和再生醫(yī)學(xué)方面擁有巨大的潛力。在2003年，水凝膠就應(yīng)用于心肌梗死的治療，大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)水凝膠在梗死區(qū)域注射可改善心功能[14]。其確切的作用機(jī)制卻尚未完全明確，現(xiàn)聚焦于水凝膠的力學(xué)改善機(jī)制進(jìn)行說明。

2.1 可注射水凝膠的作用機(jī)制

心肌梗死后梗死區(qū)域的心肌細(xì)胞壞死，心臟部分區(qū)域的收縮力丟失，ECM降解導(dǎo)致心肌的結(jié)構(gòu)力學(xué)發(fā)生改變。根據(jù)Laplace定律，梗死區(qū)域變薄的同時(shí)，梗死區(qū)域應(yīng)力增大，易導(dǎo)致室壁瘤的發(fā)生。另外，增大的應(yīng)力不利于非梗死區(qū)域殘存心肌細(xì)胞的存活[15]。

有限元模型仿真結(jié)果顯示，將水凝膠注射到綿羊左心室梗死區(qū)可降低心肌梗死后升高的肌纖維應(yīng)力[16]。Matsumura等[17]通過雙向拉伸實(shí)驗(yàn)證明水凝膠可使左心室變硬，表現(xiàn)出水凝膠的機(jī)械強(qiáng)化作用，抵抗ECM降解導(dǎo)致力學(xué)支持力丟失。Dorsey等[18]也通過化學(xué)交換飽和轉(zhuǎn)移成像的力學(xué)分析驗(yàn)證了透明質(zhì)酸水凝膠改善心肌梗死后的心臟力學(xué)環(huán)境。這是由于水凝膠可以替代降解的ECM，為心肌細(xì)胞功能的正常發(fā)揮提供較為良好的力學(xué)支撐。加強(qiáng)梗死部位的力學(xué)支撐，避免梗死部位受到非梗死部位的牽拉，防止進(jìn)一步加重心室重塑。同理，水凝膠還能增加室壁厚度，維持心肌的收縮和舒張，延緩心室重塑[19]。

2.2 可注射水凝膠的力學(xué)特點(diǎn)研究

目前，心臟用水凝膠的力學(xué)研究主要在水凝膠彈性模量的方面。調(diào)節(jié)水凝膠彈性模量最常見的方法包括：改變聚合物濃度、調(diào)節(jié)交聯(lián)度。例如，聚乙二醇基可注射水凝膠。水凝膠聚合物濃度為5%、10%、20%和30%。其對(duì)應(yīng)彈性模量分別為0.8、6.9、17.2和35.0 kPa[20]。而藻酸鹽水凝膠，可通過改變Ca2+濃度調(diào)節(jié)水凝膠的交聯(lián)度。Efraim等[21]合成一種新的水凝膠并測試發(fā)現(xiàn)，與心肌梗死區(qū)注射彈性模量小的水凝膠相比，彈性模量較大的水凝膠能表現(xiàn)出更好的心臟收縮和舒張功能。Ifkovits等[22]在綿羊的心肌梗死模型上應(yīng)用兩種可注射透明質(zhì)酸，比較彈性模量為8 kPa(低于心肌彈性模量)和彈性模量為43 kPa(高于心肌彈性模量)的水凝膠，結(jié)果43 kPa的水凝膠在射血分?jǐn)?shù)等心功能指標(biāo)上改善更為明顯，可注射水凝膠的最佳彈性模量應(yīng)與健康心肌的彈性模量相適應(yīng)。Chow等[20]使用一系列彈性模量不同的水凝膠進(jìn)一步證實(shí)：與低于或者高于心肌彈性模量的水凝膠相比，最接近正常心肌彈性模量的水凝膠改善心室重塑的作用最為明顯。臨床中各年齡段、不同性別的患者都可能發(fā)生心肌梗死，其心肌彈性模量并不一致，所以根據(jù)患者自身心肌彈性模量的特點(diǎn)來合成水凝膠，能更大地發(fā)揮水凝膠的優(yōu)勢。

心臟用水凝膠的力學(xué)研究主要是水凝膠彈性模量的變化與心功能改善之間的關(guān)系，而水凝膠其他力學(xué)性質(zhì)，如伸縮比、流變學(xué)性質(zhì)等研究較少，這也是未來改良心臟用水凝膠的重點(diǎn)研究方向。

3 可注射水凝膠在心肌梗死后的臨床應(yīng)用

目前已有三種可注射水凝膠(Algisyl-LVRTM[23]、IK-5001[24]和VentriGel[25])進(jìn)入臨床試驗(yàn)。Algisyl-LVRTM和IK-5001是以藻酸鹽為原料合成的化合物。VentriGel是一種從豬心肌提取的ECM水凝膠。在這三種可注射水凝膠中，Algisyl-LVRTM完成了Ⅰ期臨床試驗(yàn)(NCT00847964)和Ⅱ期臨床AUGMENT-HF試驗(yàn)(NCT01311791)[23，26]。其中Ⅰ期臨床試驗(yàn)(NCT00847964)納入3例缺血性心肌病患者，由于在進(jìn)行冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)時(shí)接受Algisyl-LVRTM心肌內(nèi)注射，所以無法將心功能的改善完全歸因于Algisyl-LVRTM心肌內(nèi)注射。因此AUGMENT-HF是以單純海藻酸鹽水凝膠注射治療的臨床試驗(yàn)，其納入標(biāo)準(zhǔn)為年齡18～79歲，峰值攝氧量為9.0～14.5 mL·kg-1·min-1，左室射血分?jǐn)?shù)≤35%，左室舒張末期尺寸與體表面積對(duì)應(yīng)30～40 mm/m2的患者。兩次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化注射部位為左心室頂端和基底之間的左心室中室水平面，并在前室間隔槽和后室間隔槽之間的心室游離壁進(jìn)行心肌內(nèi)注射，每個(gè)注射點(diǎn)注射0.3 mL海藻酸鹽水凝膠。計(jì)算機(jī)模型模擬明顯證明Algisyl-LVRTM心肌內(nèi)注射能降低心室壁的應(yīng)力。另外Algisyl-LVRTM心肌內(nèi)注射使得患者的運(yùn)動(dòng)耐受性明顯提高，心功能明顯改善[27]。IK-5001同樣也通過了Ⅰ期臨床試驗(yàn)(NCT00557531)以及Ⅱ期臨床PRESERVATION Ⅰ試驗(yàn)(NCT01226563)，驗(yàn)證了其改善左心室重塑患者心功能的有效性和安全性[24，28-29]。Ⅰ期臨床試驗(yàn)入選27例成功血管重建術(shù)后ST段抬高心肌梗死的中重度患者，在局部麻醉下，通過經(jīng)皮橈動(dòng)脈進(jìn)入冠狀動(dòng)脈注射IK-5001到梗死相關(guān)的冠狀動(dòng)脈。由于急性心肌梗死部位微血管通透性增加和細(xì)胞外鈣濃度升高使得IK-5001選擇性地進(jìn)入并滲透梗死心肌組織，與Ca2+交聯(lián)形成臨時(shí)的生物可吸收心臟支架，且不影響冠狀動(dòng)脈血流及心肌灌注。隨訪顯示，患者心功能維持于術(shù)前水平，有效預(yù)防心室重塑和充血性心力衰竭。PRESERVATION Ⅰ試驗(yàn)是一項(xiàng)早期隨機(jī)、雙盲、安慰劑對(duì)照試驗(yàn)，比較了ST段抬高的大面積心肌梗死患者在成功再灌注后，在冠狀動(dòng)脈內(nèi)應(yīng)用4 mL IK-5001與生理鹽水對(duì)照的情況。結(jié)果顯示在成功再灌注后 2～5 d冠狀動(dòng)脈內(nèi)放置 IK-5001并未減少6個(gè)月時(shí)的左心室不良重塑或心臟臨床事件，因此海藻酸鹽在心肌梗死中的進(jìn)一步研究可能是有必要的。VentriGel進(jìn)行了Ⅰ期臨床試驗(yàn)(ClinicalTrials.gov Identifier NCT02305602)，對(duì)ST段抬高心肌梗死并經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療術(shù)后的患者在心臟自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)(NOGATM)的引導(dǎo)下經(jīng)心內(nèi)膜實(shí)現(xiàn)心肌內(nèi)注射，研究已于2019年6月完成，但是研究最終結(jié)果未公布?？偟膩碚f，水凝膠對(duì)心功能的改善是可以肯定的，但是仍然需要經(jīng)過嚴(yán)格的臨床試驗(yàn)。

4 總結(jié)與展望

水凝膠做為力學(xué)支持系統(tǒng)能很好地改善梗死后的心臟力學(xué)重構(gòu)，尤其是符合心臟的彈性模量的水凝膠，能夠最大程度恢復(fù)心臟的力學(xué)環(huán)境。

目前，水凝膠可以替代ECM，但是丟失的心肌無法再生的問題仍然未解決。最近，受器官組織彈性差異的啟發(fā)，越來越多的學(xué)者們發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞分化的差異受基質(zhì)的彈性影響。在再生醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域中，Yang等[30]的研究證實(shí)：干細(xì)胞具有機(jī)械應(yīng)力的記憶，人間充質(zhì)干細(xì)胞在彈性模量大(符合骨的彈性)的水凝膠培養(yǎng)皿上成骨分化。因此，符合心肌彈性的水凝膠易使得干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化，有利于心室收縮功能的恢復(fù)。正如Heras-Bautista等[31]的研究中，使用彈性模量為55 kPa的聚丙烯酰胺凝膠成功培養(yǎng)了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞產(chǎn)生的心肌細(xì)胞，并且避免了使用經(jīng)典組織培養(yǎng)皿造成的心肌細(xì)胞收縮功能的丟失。水凝膠在體外促進(jìn)干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化具有重要作用。

綜上，應(yīng)用與心肌相似彈性模量的水凝膠不僅可以預(yù)防心室形態(tài)改變，減少梗死區(qū)域?qū)Ψ枪Ｋ绤^(qū)域的影響，還可以恢復(fù)心肌生理狀態(tài)的彈性，有利于干細(xì)胞向心肌細(xì)胞分化，從而最大程度恢復(fù)心室的收縮功能和形態(tài)，更加利于心功能的恢復(fù)。這將是未來治療心肌梗死后心力衰竭的研究新方向。