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    《自然材料》:厲害了!科學(xué)家發(fā)明心肌修復(fù)“創(chuàng)可貼”,心梗后心肌壞死的溫和療法

       日期:2017-08-25     瀏覽:138    
    核心提示:發(fā)布日期:2017-08-25 近日,加拿大多倫多大學(xué)科學(xué)家在心臟修復(fù)領(lǐng)域取得了重大突破。他們開

    發(fā)布日期:2017-08-25

    近日,加拿大多倫多大學(xué)科學(xué)家在心臟修復(fù)領(lǐng)域取得了重大突破。他們開發(fā)出了類似創(chuàng)可貼藥芯大小的心肌細(xì)胞組織貼片,尺寸為1cm×1cm×0.1mm,可以用來修復(fù)因心肌梗死導(dǎo)致的心肌損傷。

    左圖是沒有被修復(fù)的小鼠心臟橫切圖,可以明顯看到心室放大,右側(cè)心肌壁非常薄(心衰)

    右圖是修復(fù)后的小鼠心臟橫切圖,心臟容積小,心臟壁厚實(shí)(有力量)

    更厲害的是,給受損心臟貼上這個(gè)「創(chuàng)可貼」不需要做開胸手術(shù),只需要一個(gè)孔徑為1mm的管道,即可將這個(gè)貼片輕易貼到受損心肌的表面。

    心肌組織貼片輕易通過口徑為1mm的管道,且穿過后能充分展開

    這意味著這是一個(gè)微創(chuàng)手術(shù),這可是傳統(tǒng)心肌梗死治療方法不可想象的。將來一旦被用到人身上,患者可能就不用開胸,只需微創(chuàng)手術(shù),就能修復(fù)受損的心臟啦!這將大大縮短創(chuàng)傷愈合的時(shí)間、減少患者的痛苦!

    作者暢想的心肌受損治療過程:在患者的胸腔插入一根細(xì)細(xì)的管道,對(duì)準(zhǔn)心肌受損的部位,將心肌組織貼片注入即可

    這項(xiàng)研究成果由加拿大多倫多大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授Milica Radisic團(tuán)隊(duì)完成。相關(guān)的研究成果刊登在頂級(jí)期刊《自然材料》上[1]。

    Milica Radisic教授

    因冠狀動(dòng)脈急性、持續(xù)性缺血缺氧所引起的心肌細(xì)胞壞死,即心肌梗死,是臨床上常見的危急重癥,可并發(fā)心律失常、休克或心力衰竭,常常危及生命。該病在歐美國(guó)家最為常見,隨著社會(huì)老齡化、生活節(jié)奏的加快,心肌梗死也成為我國(guó)人民的重大疾病負(fù)擔(dān)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2014年,我國(guó)心肌梗死死亡率城市為55.32/10萬,農(nóng)村為68.6/10萬[3]。

    在發(fā)生心肌梗死后,即使患者被搶救回來,大量心肌細(xì)胞的死亡會(huì)使心臟上出現(xiàn)“疤痕”,還會(huì)讓左心室擴(kuò)大,射血分?jǐn)?shù)降低(代表心臟的收縮能力,值越高,心臟的收縮能力越強(qiáng)),最終導(dǎo)致心臟功能受損。我們的心臟不僅不能自我修復(fù),而且更糟糕的是,死亡的心肌組織會(huì)“牽連”周圍的肌肉,使得“疤痕”慢慢擴(kuò)大。由于心臟壁局部變薄,在血流動(dòng)力學(xué)改變的情況下,容易發(fā)生室壁瘤和心臟破裂,這無疑給患者埋下了巨大的安全隱患。

    如何修復(fù)受損的心臟成為許多科學(xué)家們的研究重點(diǎn),相信你也看過不少關(guān)于心臟“補(bǔ)丁”的報(bào)道(比如,華人科學(xué)家發(fā)明3D打印干細(xì)胞心臟「補(bǔ)丁」,可與天然心臟融為一體 | 奇點(diǎn)猛科技)。

    上圖,心肌組織貼片「蜷縮」在口徑1mm的試管里

    下圖,從試管里釋放出來的心肌組織貼片

    但是,想要利用這些工程化組織去修復(fù)心臟,通常需要采取開胸的心內(nèi)直視手術(shù)。Radisic教授認(rèn)為,這對(duì)于心肌梗死的患者來說,手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)通常要比可能的益處大。因此,如何突破這個(gè)技術(shù)障礙,成為她的團(tuán)隊(duì)關(guān)注的熱點(diǎn)。

    Radisic團(tuán)隊(duì)由一群跨學(xué)科的專家組成,他們?cè)谑褂镁酆衔镏Ъ芘嘤普娴?D人體組織方面頗有成就。這次的可注入式組織貼片,就建立在之前的工作基礎(chǔ)之上。

    其中比較重要的研究工作是由華人科學(xué)家Boyang Zhang等人于2015年完成的。當(dāng)時(shí),他同此次研究的第一作者M(jìn)iles Montgomery一起,開發(fā)出了一種由2D網(wǎng)格支架,這種網(wǎng)格支架由POMAC聚合物組成,可在數(shù)月內(nèi)降解。他們將心肌細(xì)胞置于這種支架上,給予電流刺激后,心肌細(xì)胞收縮,致使支架彎曲[4]。

    Miles Montgomery(左)和Boyang Zhang(右)

    雖然,他們可以用這種2D網(wǎng)格支架構(gòu)建多達(dá)三層的人工組織,但是畢竟能夠發(fā)揮正常生理功能,還需要考慮人工組織的3D結(jié)構(gòu)。在Zhang和Montgomery的共同努力下,他們又發(fā)明了名為AngioChip的3D芯片。

    這是一個(gè)完整的三維結(jié)構(gòu)芯片,由一系列薄層構(gòu)成,其內(nèi)部通道完整,可以讓細(xì)胞附著生長(zhǎng)。他們利用這種芯片,構(gòu)建了心臟仿真模型。相關(guān)的研究結(jié)果,同樣刊登在了2016年的《自然材料》上[5]。

    跳動(dòng)的仿真心臟

    然而,利用這兩款支架開發(fā)的人工心臟組織只是用于藥物研發(fā)的測(cè)評(píng)。利用人工培育的組織修復(fù)損傷器官,才是Radisic團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)。在Montgomery的不懈努力下,經(jīng)過無數(shù)次的失敗,他花了將近3年的時(shí)間,終于開發(fā)出了這款注入式而非植入式的心臟貼片!

    這款支架,依然采用POMAC聚合物為材料,與他們之前開發(fā)的兩款心臟支架不同的是,由于它的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特征,它能夠“記住”自己的形狀,在經(jīng)過1mm的移液管口壓縮后,依然能恢復(fù)到原來的形狀。

    研究人員首先將大鼠的心肌細(xì)胞,在這種支架上培養(yǎng)7天,讓心肌細(xì)胞具有收縮能力。為了便于觀察,他們讓心肌細(xì)胞發(fā)出綠色熒光,讓支架發(fā)出紅色熒光。在體外研究中發(fā)現(xiàn),經(jīng)過1mm移液管壓縮再伸展的貼片心肌細(xì)胞,與壓縮前的心肌細(xì)胞相比,其數(shù)量和活性不受影響。

    注射前(左)、注射后(右),心肌細(xì)胞數(shù)量和活性不受影響

    接下來,研究人員分別采用微創(chuàng)的注入式和大創(chuàng)口的植入式兩種方式,將心肌貼片轉(zhuǎn)移到大鼠的皮下,比較了兩種移植方式對(duì)貼片的影響以及大鼠對(duì)貼片的宿主反應(yīng)。

    經(jīng)CT掃描發(fā)現(xiàn),大鼠體內(nèi)的注入的心肌貼片體積比植入的體積小30%,這可能是由于貼片自發(fā)展開不完全造成的。在移植貼片7天后,兩種移植方式中,血管內(nèi)皮細(xì)胞及平滑肌細(xì)胞水平相當(dāng),與促進(jìn)愈合和利于植入物生存相關(guān)的巨噬細(xì)胞(M2)水平也相當(dāng),而注入的貼片心肌細(xì)胞量相對(duì)更高!

    四張圖依次表示心肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和巨噬細(xì)胞;黑色為注入式,白色為植入式

    緊接著,研究人員采用一種針對(duì)大鼠來說微創(chuàng)的方式,將心肌貼片注入到心肌梗塞模型大鼠中,并對(duì)大鼠的心臟功能恢復(fù)進(jìn)行了評(píng)估。

    他們發(fā)現(xiàn),在注入貼片的第3周,與不接受貼片的大鼠相比,注入貼片的大鼠左心室射血分?jǐn)?shù)明顯提高了。在第5周,注入貼片的大鼠心臟收縮壓更高、左心室容積更小。第6周,將大鼠的心臟取出,進(jìn)行更直觀的形態(tài)學(xué)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),注入貼片的大鼠心臟壁的厚度增加、心肌損傷擴(kuò)張更小。這都表明貼片修復(fù)了大鼠的部分心臟功能!

    上圖,沒有修復(fù)的小鼠心臟橫切圖

    下圖,修復(fù)后的小鼠心臟橫切圖

    為了驗(yàn)證這個(gè)微創(chuàng)植入貼片的手術(shù)能否在大型哺乳動(dòng)物身上完成,研究人員決定在心臟體積跟人類差不多的豬身上試一試。他們給人多能干細(xì)胞來源的組織貼片加上翅膀(形狀跟創(chuàng)可貼差不多,詳見下方視頻),這樣操作起來更方便。通過特制的胸腔鏡設(shè)備,并采用一種纖維蛋白膠粘合貼片,成功將貼片注入到了跳動(dòng)的豬心臟上!并且這些接受手術(shù)的豬并沒有出現(xiàn)心律失常、出血、氣胸等并發(fā)癥!

    微創(chuàng)注入式心臟貼片(都看到最后了,來一段震(xue)撼(xing)的小視頻吧)

    驚喜的同時(shí),我們必須看到,這種材料能進(jìn)行臨床試驗(yàn)之前,還有很長(zhǎng)的路要走。

    Radisic團(tuán)隊(duì)正在與其他研究人員進(jìn)行合作,以評(píng)估貼片的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及這種心臟功能的改善是否可以維持。他們還申請(qǐng)了發(fā)明專利,也探索在其他器官(如肝臟)中使用貼片。

    Radisic教授表示:“雖然這種補(bǔ)丁不能使心臟完全恢復(fù)健康,但如果可以在人類中完成,將大大提高患者的生活質(zhì)量!”[2]

    我們期待這種組織貼片技術(shù)盡快完善,早日應(yīng)用于臨床,給患者帶來實(shí)際的用處!

    參考資料

    [1]https://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4956.html

    [2]https://www.sciencedaily.com/releases/2017/08/170814120951.htm

    [3] 陳偉偉,高潤(rùn)霖,劉力生,等. 《中國(guó)心血管病報(bào)告2015》概要. 中國(guó)循環(huán)雜志, 2016, 31: 624-632.

    [4] Zhang B, Montgomery M, Davenport-Huyer L, et al. Platform technology for scalable assembly of instantaneously functional mosaic tissues[J]. Science advances, 2015, 1(7): e1500423.

    [5] Zhang B, Montgomery M, Chamberlain M D, et al. Biodegradable scaffold with built-in vasculature for organ-on-a-chip engineering and direct surgical anastomosis[J]. Nature materials, 2016, 15(6): 669.

    來源:奇點(diǎn)網(wǎng)(微信號(hào) geekheal_com)

     
     
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