导读：

这篇研究性论文介绍了一种仿生导电水凝胶微球（ECM-PPY）的制备及其在心肌梗死修复中的应用。四川大学华西医院陈茂教授、陈雨文副研究员等人利用脱细胞细胞外基质（d-ECM）模拟心肌生化环境，并通过微流控技术将其制成粒径均匀的微球，随后引入聚吡咯（PPY）赋予其与天然心肌相匹配的导电性。实验表明，这种微球能够提供机械支撑并促进血管再生，同时通过上调缝隙连接蛋白43（Cx43）的表达来增强心肌细胞间的电信号传递。

在大鼠心肌梗死模型中，该疗法显著缩小了心肌纤维化区域，有效抑制了细胞凋亡，并最终实现了心脏功能的增强。该研究为治疗心血管疾病提供了一种具有生物活性且电学兼容的新型生物材料策略。相关成果以“Cardiomyocyte-Mimetic Conductive Hydrogel Microspheres for Enhanced Myocardial Repair”为题目，发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

本文要点：

1. 研究背景与挑战

• 心肌梗死（MI）会导致心肌细胞大量丢失、心室重构并最终导致心衰，是全球首位的死亡原因。

• 传统的导电水凝胶虽然能改善局部微环境，但其致密的网络结构往往限制了细胞浸润和血管生成，且机械性能与心脏不匹配可能诱发心律失常。

2. 材料设计与制备

• 核心组分：采用源自心肌组织的脱细胞细胞外基质（d-ECM）提供生物活性微环境，并结合导电聚合物聚吡咯（PPY）赋予其导电性。

• 制备工艺：

• 通过甲基丙烯酸酐改性 d-ECM，获得可光交联的 d-ECMMA预聚液。

• 利用微流控芯片技术制备出尺寸均匀的 ECM 水凝胶微球。

• 通过吡咯的原位氧化聚合，在微球上形成导电涂层，生成 ECM-PPY 微球。

• 物理特性：ECM-PPY 微球具有多孔结构，其电导率约为 (7.55±92) ×10^-4 S/cm，与天然心肌组织高度接近。

3. 生物学功能（体外实验）

• 生物安全性：实验证明该微球对血管内皮细胞、成纤维细胞和心肌细胞均无明显毒性。

• 促进修复能力：ECM-PPY 微球显著增强了人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的迁移和成管能力。

• 增强心肌功能：显著上调了心肌细胞中缝隙连接蛋白 43（Cx43）的表达，并改善了心肌细胞的钙瞬态幅度，有利于电信号传导。

4. 治疗效果（体内实验）

• 改善心功能：在心梗大鼠模型中，注射 ECM-PPY 微球显著提高了射血分数（EF）和缩短分数（FS），有效减缓了左心室重构。

• 组织学修复：

• 显著减小梗死面积和纤维化区域（纤维化比例降至约81%）。

• 增加梗死区壁厚，抑制心肌细胞凋亡。

• 促进血管再生，提高了 CD31+ 和 α-SMA+ 血管密度。

• 抗心律失常：通过降低瘢痕组织电阻率，减少了心律失常的发生。

5. 作用机制

• 转录组学分析表明，ECM-PPY 通过激活与能量代谢（线粒体活动）、结构重塑、细胞间耦合以及 VEGF 血管生成信号通路相关的基因，共同促进了心肌的修复和收缩功能的改善。

结论

该研究开发了一种具有导电性和生物活性的微球策略。这种仿生微球通过提供机械支撑、恢复电传导和促进血管再生，为临床治疗心肌梗死提供了创新的技术方案。

图1 ECM-PPY 导电微球的制备及其用于心肌梗死（MI）治疗的示意图。

图2 来源于心肌组织的 d-ECM 的表征。(A) d-ECM 的 H&E 染色；(B) 天狼星红染色；
(C) 阿利新蓝染色（左：整体切片，比例尺：500 μm；右：放大区域，比例尺：100 μm）；(D) d-ECM 的考马斯亮蓝染色；(E) 心脏组织与 d-ECM 的 DNA 电泳分析；(F) 心脏组织与 d-ECM 的 DNA 含量定量分析。

图3 水凝胶微球的表征。(A) ECM 微球的显微镜图像（比例尺：200 μm）；(B) ECM 微球的扫描电子显微镜（SEM）图像（比例尺：400 μm）；(C) 水相/油相流速与微球直径之间的关系；(D) ECM-PPY 微球的显微镜图像（比例尺：200 μm）；(E)、(F) ECM-PPY 微球的 SEM 图像（比例尺分别为：400 μm、100 μm）。

图4 微球的电化学表征。(A) 循环伏安（CV）曲线；(B) 电化学阻抗谱（EIS）曲线；(C) 波特图（Bode plots）；(D) ECM 与 ECM-PPY 微球的电导率。

图5 微球的生物学性能。(A) HUVEC 细胞；(B) H9c2 细胞；(C) RCF 细胞在不同微球配方提取液处理 24 h 与 48 h 后的细胞活力；(D) 代表性的成管实验图像（比例尺：50 μm）；(E) 节点数量的定量分析结果；(F) HUVEC 细胞 Transwell 迁移实验图像（比例尺：100 μm）；(G) 经不同微球配方提取液处理后迁移细胞数量的定量结果。

图6 (A) 不同处理后心肌细胞中 Cx43 表达的代表性荧光图像；(B) 相应定量分析结果（蓝色通道：DAPI；绿色通道：cTnT；红色通道：Cx43；比例尺：100 μm）；(C) Cx43 相关 mRNA 表达；(D) Cx43 蛋白表达；(E) 以 GAPDH 归一化后的 Cx43 蛋白表达定量结果。

图7 不同处理后心肌细胞（CMs）的 RNA 测序分析。(A) 差异表达基因热图；(B) 火山图；(C) ECM-PPY 组与 ECM 组之间差异表达基因的 GO 富集分析；(D) KEGG 通路富集分析；(E) VEGF 信号通路、ECM-受体相互作用、黏着连接、肌动蛋白细胞骨架调控、TCA 循环及氧化磷酸化相关基因的 GSEA 分析。

图8 微球体内治疗效果。(A) 微球用于 MI 治疗的示意图；(B) 代表性超声心动图图像（插图为 B 模式图像）；(C) 射血分数（EF）；(D) 缩短分数（FS）；(E) 心肌组织 Masson 染色图像（比例尺：200 μm、100 μm）；(F) 左心室（LV）壁厚；(G) 不同处理组心肌组织的梗死面积。

图9 不同处理后心肌组织的代表性免疫荧光图像及定量分析。(A) 不同区域心肌组织中 Cx43 表达的代表性免疫荧光图像（蓝色通道：DAPI；绿色通道：α-actinin；红色通道：Cx43；比例尺：100 μm）；(B) CD31（红色）/α-SMA（绿色）以及 TUNEL（红色）/cTnT（绿色）的代表性免疫荧光图像（比例尺：100 μm）；(C) 梗死区心肌组织中 Cx43 表达的定量分析；(D) CD31 血管密度定量分析；(E) α-SMA 血管密度定量分析；(F) TUNEL 阳性表达的定量分析。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.6c04164

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