《科學》子刊封面：程柯教授團隊帶來可修復心臟損傷的人工補丁
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今日，《科學》雜誌旗下側重基礎研究向潛在療法轉化的知名期刊Science Translational Medicine出版了最新一期，榮登封面的是一項心臟修復技術的最新成果。北卡羅萊納州立大學和北卡大學教堂山分校的程柯教授帶領團隊設計並生產出一種「即用型」人工心臟補丁，不僅在急性心肌梗死的動物模型上顯示出修復心肌的效果和良好的安全性，而且可以擺脫使用活細胞治療時遇到的諸多限制。
通常在發生心肌梗死後，受損的心肌組織很難恢復，在心臟上形成沒有收縮功能的瘢痕，讓患者面臨心律失常和心力衰竭的危險。
近年來，細胞療法被看作修復心臟的一種潛在手段。不少研究和臨床試驗顯示，利用成體幹細胞分泌的生長因子、趨化因子、外泌體等生物活性物質，可以起到促進心肌保護、血管新生、調節局部炎症反應、促進細胞外基質重塑等作用，從而治療受損心臟。
然而，心臟細胞療法在臨床上的應用受到了諸多限制。比如，移植細胞的自我複製，可能增加致瘤風險；移植到心臟的大量細胞也可能誘發心律失常；異體細胞移植更可導致免疫排斥反應。此外，細胞的提取、培養、儲存和運輸是複雜、昂貴和耗時的，很難滿足批量生產高質量的藥品規範化要求。
正是為了解決細胞療法的上述限制，此次科學家們開發了人工心臟補丁（artificial cardiac patch，簡稱artCP），它不含活細胞但又有生物活性，以「無招勝有招」的方式代替活細胞修補心臟。
具體來說，研究人員以不含活細胞的豬心臟外基質（myoECM）作為骨架，這種材料保持了天然的網狀結構，並具有心臟組織相似的機械性能；然後，他們在骨架內嵌入了含有心臟基質細胞分泌物的可降解顆粒（又名合成細胞，synCSC），釋放細胞因子、外泌體等生物活性物質。
▲人工心臟補丁artCP示意圖（圖片來源：參考資料[1]）
此次研究中，科研團隊分別在大鼠和豬兩種動物的心梗模型上對這種人工心臟補丁進行了驗證。
研究人員首先在大鼠的心梗區植入artCP。24小時後，相比直接在心肌內注射synCSC，他們觀察到artCP有效地將synCSC合成細胞保留在梗死區域內，將脫靶損失降至最低。植入7天和第21天後，分析免疫排斥反應的結果則驗證了artCP的生物相容性。
從治療效果來看，大鼠接受artCP移植3周，左心室射血分數（評價心功能的重要指標）相比對照組有顯著提升。在心臟病理切片染色中發現，artCP移植可顯著縮小瘢痕面積，並增加危險區域的存活心肌組織以及左室壁厚度。並且，移植了嵌入synCSC合成細胞的artCP相比僅有骨架的myoECM有更明顯的治療效果。
伴隨著心功能改善，組織切片的染色結果還顯示，大鼠的心肌組織得到一定程度修復。同時，artCP移植增加了梗死區域的毛細血管密度，並降低了心臟梗死邊界區細胞凋亡。
接下來，研究人員利用心臟解剖結構與人類相似的豬心臟進一步驗證了人工心臟補丁的作用。在誘發心梗的豬心臟中，研究人員在梗死區域植入一塊直徑為3.5厘米的artCP，並以未接受任何治療的動物作為對照。7天後，通過心電圖及心臟超聲的評估，發現artCP治療改善了心臟功能。其他分析結果顯示，在artCP覆蓋區域內，部分心臟切片上的心梗面積明顯縮小，還減少了心肌纖維化。
這幾項動物實驗都表明， artCP移植沒有導致肝臟及腎臟損傷，說明它在動物體內是安全的。
更值得一提的是，冷凍保存的artCP與新鮮製備的artCP表現出類似的治療效力。出色的低溫穩定性讓這種人工心臟補丁可以比活細胞補丁有更長的保質期，有望滿足未來臨床應用上對「即用型」產品的需求。
參考資料
[1] Ke Huang et al., (2020) An off-the-shelf artificial cardiac patch improves cardiac repair after myocardial infarction in rats and pigs. Science Translational Medicine. DOI:
註：本文旨在介紹醫藥健康研究進展，不是治療方案推薦。如需獲得治療方案指導，請前往正規醫院就診。
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