Injectable Self-Oxygenating Cardio-Protective and Tissue Adhesive Silk-Based Hydrogel for Alleviating Ischemia After MI Injury  

用于减轻心肌梗死后缺血的注射型自供氧心脏保护和组织粘附丝基水凝胶  

来源：Small 2024, 2312261  

《Small》期刊 2024年，文章编号2312261  

 

摘要内容：  

摘要描述了一种新型可注射丝素蛋白（SF）与酪胺修饰藻酸盐（TA-Alg）的复合水凝胶（TSF），该水凝胶同时负载释氧微颗粒（OMPs）和基质细胞衍生因子-1α（SDF）。该材料具备机械鲁棒性、组织粘附性和缓释特性，旨在通过持续释放氧气和SDF，在心肌梗死（MI）区域同步激活血管新生并改善缺氧微环境，从而减少细胞死亡、抑制纤维化瘢痕形成，促进心脏功能恢复。在大鼠MI模型中，该水凝胶使心肌细胞存活率提高≈30%，左心室收缩和舒张功能分别改善≈10%和20%，射血分数提高≈25%。

 

研究目的：  

开发一种兼具持续供氧和心脏保护功能的可注射水凝胶，通过局部缓释氧气和SDF，协同促进MI后缺血区域的血管新生、减少心肌细胞凋亡、抑制纤维化，最终改善心脏功能。

 

研究思路：  

材料设计与合成：  

 

合成释氧微颗粒（OMPs）：通过双乳液法包裹过氧化钙（CPO）于聚己内酯（PCL）中（图2A-D）。  

制备酪胺修饰藻酸盐（TA-Alg），并通过酶促交联（HRP/H₂O₂）与丝素蛋白（SF）形成复合水凝胶（TSF）（图2E）。  

 

 

将OMPs和SDF化学交联至TSF水凝胶中（TSF/OMP/SDF）（图3E-H）。  

 

材料表征：  

 

测试水凝胶的机械性能（压缩模量、粘附性）、孔隙结构、降解行为、氧气/H₂O₂/SDF释放动力学（图2F-M，图3A-G）。  

 

体外验证：  

 

评估水凝胶在人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中的生物相容性、促内皮化（CD31表达）和缺氧条件下（0.5% O₂）的细胞存活/增殖（Ki-67）（图4）。  

 

 

验证水凝胶对诱导多能干细胞（iPSC）分化的心肌细胞（iCMs）搏动功能的促进作用。  

体内疗效评估：  

 

在大鼠MI模型（结扎左前降支）中注射水凝胶（图5A-C）。  

分析心脏组织学：纤维化面积（Masson染色）、细胞凋亡（TUNEL）、血管密度（CD31）、干细胞归巢（CD34⁺/c-Kit⁺）、缺氧标志物（HIF-1α）及SDF滞留（图5D-H，图6）。  

 

 

 

通过光片显微镜三维成像评估血管网络（图7）。  

 

 

超声心动图监测心功能：射血分数（EF）、左心室收缩/舒张容积（LVSV/LVDV）（图8）。  

 

 

测量的数据及研究意义（关联图表）：  

材料物理化学数据

OMPs尺寸与形貌（图2B-D）：粒径1.6±0.3 μm，球形结构，表面均匀分布氧元素。意义：确保可控缓释氧气。  

水凝胶压缩模量（图2H-I）：TSF/OMP/SDF模量最高（≈55.8 kPa）。意义：匹配心肌力学环境（30-70 kPa），提供机械支撑。  

 

氧气释放动力学（图3A）：TSF/OMP水凝胶在14天内维持氧浓度<5%（低氧水平）。意义：避免缺氧细胞死亡，同时不抑制血管新生。  

SDF滞留（图3F-G）：化学交联使SDF稳定存在于水凝胶中（无释放）。意义：确保SDF在MI部位长效招募干细胞。  

 

体外细胞响应数据

 

HUVECs存活与内皮化（图4B,D,G,I）：在缺氧条件下，TSF/OMP/SDF显著提升细胞存活率（>90%）和CD31表达。意义：证明水凝胶在缺氧微环境中促进血管生成。  

 

iCMs搏动功能：TSF/OMP/SDF使搏动频率达20次/分钟（无OMP/SDF组无搏动）。意义：氧气和SDF协同改善心肌细胞功能。  

 

 

体内治疗效果数据

 

纤维化面积（图5H）：TSF/OMP/SDF组瘢痕面积显著低于对照组。意义：减少心肌组织不可逆损伤。  

 

血管密度与直径（图6C-D）：TSF/OMP/SDF组血管数量增加75%，血管成熟度提高。意义：促进功能性血管网络重建。  

凋亡率（图6B）：TSF/OMP/SDF组TUNEL⁺细胞<5%（对照组≈20%）。意义：显著保护心肌细胞免于凋亡。  

 

 

心功能（图8C-E）：治疗后7天，TSF/OMP/SDF组射血分数（EF）提高≈25%，左心室收缩功能改善。意义：直接证实治疗策略改善心脏泵血能力。  

 

三维血管网络（图7）：光片显微镜显示TSF/OMP/SDF组血管分支增多、结构有序。意义：直观验证血管新生效果。  

 

 

结论：  

材料性能成功实现：开发的TSF/OMP/SDF水凝胶具备优异的机械强度（≈55.8 kPa）、组织粘附性（图3I）及缓释特性（氧气维持<5%低氧水平14天，SDF化学锚定）。  

 

协同治疗机制：OMPs缓解MI区缺氧，SDF招募干细胞并促进血管新生，二者协同提升内皮细胞存活（缺氧下>90%）和心肌细胞功能（搏动频率↑）。  

 

显著体内疗效：在大鼠MI模型中，该水凝胶使血管密度增加75%，心肌细胞凋亡率降至<5%，纤维化面积减少，最终改善心功能（EF↑≈25%）。  

 

转化价值：为MI治疗提供了一种可注射、多功能的生物材料策略，通过局部调控微环境促进心脏修复。  

 

Unisense电极测量数据的研究意义详细解读：  

数据内容（图3A）：使用丹麦Unisense Opto-F1光纤传感器测量水凝胶在无氧PBS中的溶解氧浓度，显示TSF/OMP水凝胶在14天内持续释放氧气，浓度稳定在3-5%（低氧水平）。  

 

研究意义：  

验证低氧维持能力：MI核心区氧浓度常低于0.5%，而5%以下的低氧环境既能避免细胞死亡，又可激活促血管生成信号（如HIF-1α）。Unisense数据证明该水凝胶可将极端缺氧（anoxia）提升至生理性低氧（physiological hypoxia），为细胞存活提供适宜环境。  

 

规避高氧毒性：传统氧载体易因突释造成局部高氧，引发氧化损伤。该数据表明OMPs通过PCL包裹实现可控缓释，且浓度始终低于5%，避免ROS过量生成。  

 

支持血管新生机制：低氧环境（3-5%）可上调VEGF等促血管因子，与SDF协同促进图6C-D中的血管密度增加。Unisense数据为"OMPs通过创建低氧微环境增强血管化"的结论提供直接证据。  

解释体内HIF-1α调控（图6E）：水凝胶组HIF-1α表达低于对照组，因OMPs缓解了MI区的极端缺氧，避免HIF-1α持续高表达导致的细胞凋亡（与图6B凋亡减少一致）。