“微针”+“干细胞”治疗心梗！浙大、南大联发Science Advances

缺血性心脏病（IHD）是主要的心脏急症，全球有数百万人受其影响，给全球医疗体系带来沉重负担。IHD的直接后果是缺血区域的心肌细胞坏死，若不采用药物治疗和再灌注策略等医疗干预措施，这种坏死几乎无法自行恢复。心肌细胞和心脏成纤维细胞的过度激活会进一步恶化坏死后的预后。数十年的临床前干细胞治疗研究在心肌细胞再生和组织重塑方面取得令人鼓舞的结果。然而，由于干细胞植入效率有限且对驻留心肌细胞的激活作用不足，仅有少数制剂实现临床转化。因此，亟需一种有效的治疗策略应对心肌梗死后的一系列事件——从调节免疫细胞浸润到促进机体自我修复过程。

基于此，浙江大学张宇琪、顾臻和南京大学顾竹笑团队开发一种可植入的电活性装置，能够利用干细胞疗法和心肌细胞修复技术实现有效的心脏功能恢复。借助具有80 mm³空腔的压电微针贴片，1.5×105个间充质干细胞可被高效递送至梗死部位，并在体内持续更长时间以产生持续的旁分泌效应。与此同时，由聚（L-乳酸）微针基质产生的压电刺激进一步增强干细胞活性，并在心肌细胞中引发更强烈的自我修复反应。在大鼠心肌梗死模型中，该方法能够有效抑制炎症单核细胞、减轻心肌细胞坏死并改善心脏重构。

相关研究成果以“Electroactive microneedle augmented stem cell therapy in myocardial infarction"为题发表在《Science Advances》。

本研究通过使用可植入的电活性微针贴片（IEMP）显著提升移植的骨髓来源间充质干细胞（BMSCs）的治疗潜力。该生物工程平台能够在急性心肌梗死（MI）的局部细胞递送过程中维持较高的细胞存活率和功能活性，同时通过压电刺激促进细胞间通讯及自我再生能力。在大鼠MI模型中，IEMP增强的BMSCs发挥出持久的治疗作用：不仅扩展其旁分泌活性，还促进血管生成并抑制瘢痕组织形成（图1A）。IEMP具有12个钝头针尖，每个针尖均具有约80 mm3的大细胞封装腔室及24个用于培养基更换的通道（图1B）。聚二甲基硅氧烷（PDMS）底模上的24个挤出部件顶起上模，使熔融 PLLA 形成24个孔洞（图1C、D）。每个尖部尺寸为：高度1 mm、半径1 mm、中心间距2 mm（图1E）。这些穿孔内侧的测量面积范围为2.40~7.52×103 μm2 ，外侧面积范围为1.16~104 μm2（图1F）。因此，每个尖部上的24个穿孔为植入的BMSCs与驻留细胞之间提供充足的交换通道。

IEMP采用过冷成型工艺制造，过程中使用了由摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S130，精度：2μm）打印的两个模具（图2A）。经过冷处理的PLLA在傅里叶变换红外光谱中于1747和1757cm-1处显示出两条特征谱带，表明随着时间推移发生偶极排列和相变（图2B）。X射线衍射（XRD）结果详细揭示这一转变过程：部分核成功转变为β核，且β相随处理时间延长而显著增长（图2C）。β相的形成也影响了PLLA的熔化行为，其熔点略微升高至166°C（图2D）。为准确测量PLLA的压电性能，用硅胶密封IEMP或PLLA薄膜以防止外部干扰（图2E）。IEMP面积为63.6 mm2（直径9mm），在低超声强度（0.5 W/cm2）条件下可产生约4.6 V的稳定电信号输出（图2F）。将超声强度提高至1.1 W/cm2后，电压输出进一步增加至5.6 ± 0.2 V（图2G）。通过增加表面积捕获超声探头的能量（9.62 × 102 mm2）（图2H），可进一步提升电压生成效率。延长的过冷处理过程显著改善IEMP器件的压电性能（图2I）。因此，确定采用2小时的过冷时间制备该器件，以平衡其电性能与机械性能。为进一步验证压电效应的主导作用，在离体实验条件下于猪皮肤上测试该IEMP的性能（图2J）。PVA微针贴片由于组织内的缓冲效应，其电压输出显著降低。相比之下，PLLA IEMP产生的电压输出高于体外实验条件下的数值。这种性能提升可归因于超声能量在生物组织中的传输效率更高（图2K）。

接下来评估将BMSCs装载到IEMP中的可行性。在细胞装载过程中，将1.5×105BMSCs置于50 μl含4%明胶的DMEM中，注入IEMP腔内。共聚焦图像证实，Dil标记的BMSCs从针尖至针底占据整个针体（图3A）。细胞在IEMP中孵育6小时后，其存活率未见明显下降（图3B）。将IEMP浸入培养基10分钟后，未观察到明显的细胞泄漏，表明IEMP能有效固定干细胞（图3C）。进一步研究BMSCs从IEMP中释放到甲基丙烯酸明胶（GelMA）水凝胶介质中的行为：若BMSCs未经固定直接加载，IEMP中的固化明胶凝胶在生理条件下会液化，嵌入其中的BMSCs会迅速穿过孔隙迁移至介质中（图3D）。利用BMSCs固有的成纤维特性，使其能够自发黏附于IEMP内表面：在装载后将IEMP保持静止1小时，可在释放开始后20分钟内实现76.5±3.4%的细胞附着率；将静止时间延长至4小时，细胞附着率进一步提升至约96.4%（图3E）。在GelMA凝胶中孵育24小时后，BMSC密度显著增加，表明细胞在IEMP内扩散并定植（图3F）。

除确认细胞存活率外，进一步研究IEMP产生的压电刺激对BMSCs和心肌细胞的影响。施加外部电场2分钟后，BMSCs仍保持持续存活状态（图4A）。仅部分BMSCs在长时间电刺激后丧失活性（图4B）。在超声IEMP刺激下，大多数细胞能够耐受超声功率强度的增加，并产生压电效应（图4C）。BMSCs的存在显著降低缺氧条件下心肌细胞的凋亡率，主要归因于这些干细胞释放的旁分泌因子（图4D）。人脐静脉内皮细胞的管状形成实验进一步表明，IEMP中的BMSCs具有血管生成潜能，而仅由IEMP产生的压电效应则不具备此潜能（图4E）。经电刺激的BMSCs表现出增强的旁分泌效应，从而促进再生能力。经过为期3天的周期性压电刺激后，检测到BMSCs中Vegfa、Hgf和Igf-1的mRNA水平显著升高（图4F）。这些增强效应在mRNA和蛋白质水平上均持续维持7天，表明BMSCs具有长期治疗潜力（图4F）。通过mRNA表达分析，进一步揭示BMSCs与压电效应对心肌细胞的协同治疗作用（图4G）。

基于IEMP对心肌细胞的保护作用，在大鼠急性MI模型中评估装载BMSC的IMEP的治疗效果（图5A）。借助IEMP的作用，植入的BMSCs存活时间较心内注射组更长（图5B）。MI大鼠的HE染色图像显示，第2天可见大量单核细胞浸润及胶原沉积（图5C）。为更深入阐明电刺激对单核细胞亚群的影响，采用两种鉴定标志物——His48和CD43，以区分经典（炎症性）与非经典（抗炎性）单核细胞。骨髓来源巨噬细胞的流式细胞术分析表明，施加0.5 V电压可显著降低经典单核细胞与非经典单核细胞的比例，这一趋势在第3、7天接受IEMP/BMSC 处理的大鼠中同样显现（图5D）。在大鼠心脏中引入IEMP/BMSC后，炎症性单核细胞的比例显著降低，可能减轻梗死周边区域的附带损伤。这一点从第7天起左心室前壁收缩功能受损到证实：尽管具有这种免疫调节作用，但单纯电刺激仍不足以挽救缺血心肌（图5E）。第28天的Masson三色染色结果显示，与PVDF组和IEMP组相比，前壁组织厚度显著增加，纤维化形成区域更小（图5F）。

连接蛋白43（Cx43）的可视化结果显示：与其它处理组相比， IEMP/BMSC组梗死区域内其余心肌细胞的缝隙连接蛋白表达水平更高（图6A），表明该区域的电耦合与代谢通讯功能增强。此外，在BMSC组和IEMP/BMSC组中，边界区域与梗死区域的血管数量均有所增加（图6B）。通过心肌肌钙蛋白T标志物定量分析其余由边界处血管生成区域及梗死区域支持的心肌细胞（图6C）。

总结：本研究开发一种可植入的电活性装置，能够封装大量BMSCs，实现向心脏的靶向、持续递送，并保持细胞高存活率和功能活性。该平台实现BMSCs与心肌细胞之间的有效细胞间通讯，电刺激进一步增强BMSC的旁分泌效应，同时最大限度地减少组织损伤。在大鼠MI模型中，IEMP装置有助于BMSCs在左心室前壁长期滞留。经电刺激增强的BMSCs可作为持久的旁分泌源，并在早期阶段抑制炎症单核细胞表型。因此，心脏表现出纤维化重塑减少以及心肌细胞存活率提高。除增强BMSC的作用外，将电力引入心脏治疗技术已在自供电纳米发电机中展现出显著疗效——该技术能利用心跳节律弥补心脏功能的丧失。未来的集成式自供电压电发生器有望取代对超声驱动装置的需求。