電刺激調控干細胞心肌向分化和心肌修復

高婭婭， 李沂蒙， 毛吉富， b， c， 王 璐， b， c

(東華大學 a.紡織學院； b.紡織面料技術教育部重點實驗室； c.紡織行業(yè)生物醫(yī)用紡織材料與技術重點實驗室， 上海 201620)

心血管疾病是導致人類死亡的主要疾病之一，我國每年死于心肌梗死及其并發(fā)癥的人數(shù)已超過100萬，且發(fā)病率逐年攀升[1]。在受到諸如心肌梗死等的嚴重損傷后，因心肌細胞的再生潛力有限，隨著時間流逝，纖維化瘢痕組織取代了存活心肌，并且左心室擴張，最終導致心力衰竭。當前治療末期心力衰竭的最新方法主要是應用左心室輔助設備進行全心臟移植[2-4]，但這些治療手段仍面臨侵入性手術、供體器官有限的現(xiàn)狀以及免疫排斥等問題。因此，臨床上迫切需要一種新療法來治療心肌梗死導致的心力衰竭。

基于干細胞的心肌修復療法展現(xiàn)出廣闊的應用前景。由干細胞分化而來的心肌細胞，被視為治療心肌梗死最有希望的細胞來源。然而，由干細胞定向誘導分化形成的心肌細胞尚未完全成熟，且具有搏動頻率變異性問題，其被移植到受損心臟后存在心律失常的風險，無法執(zhí)行正常心肌細胞的功能[5-6]。在心臟收縮過程中，起搏器細胞負責產生電脈沖或動作電位，從竇房結發(fā)出節(jié)律性電信號，通過細胞間隙連接傳播至心肌層細胞，再通過高導電性的浦肯野纖維傳導至心臟其他區(qū)域，最終實現(xiàn)整個心臟的節(jié)律性收縮[7]。在此過程中，電信號和間隙連接對心臟的同步搏動至關重要。近些年，電刺激因其非藥物治療手段以及在疾病治療方面的安全、方便、經(jīng)濟特點而受到廣泛關注。研究發(fā)現(xiàn)，一定范圍的電刺激能夠促進干細胞向心肌細胞的誘導分化以及干細胞源心肌細胞的體外成熟。心肌梗死發(fā)生后，心臟功能逐步衰退，收縮期左心室內部尺寸明顯擴大，心室壁心肌組織完全被纖維化組織取代。動物試驗結果表明，體外經(jīng)電刺激培養(yǎng)成熟的心肌細胞能夠減少梗死區(qū)的梗死面積和纖維化組織，并促進血管再生[8]。

本文介紹2種導電材料基電刺激平臺，聚焦2種常見的電刺激模型，對電刺激促進干細胞心肌向分化及心肌細胞的成熟和功能化研究進行總結。

1 導電材料基電刺激平臺

在心肌細胞電刺激系統(tǒng)中，大多數(shù)電刺激裝置通過插在培養(yǎng)液中的2個電極為細胞提供電場刺激。該類電刺激裝置過于簡單，無法有效地向心肌細胞傳導電信號。研究發(fā)現(xiàn)，接種于導電微納復合支架上的心肌細胞對電刺激的響應較高(見圖1)[9]，能夠有效傳導電信號，可促進心肌細胞的同步搏動功能。目前，用于工程化心肌組織體外構建的導電生物材料主要包括導電水凝膠[10]和導電納米纖維支架[11]。

圖1 人間充質干細胞電刺激生物反應器示意圖[9]Fig.1 Schematic of the bioreactor for hMSCs electrical stimulation[9]

1.1 導電水凝膠

水凝膠能夠在水中溶脹、可保持大量水分而又不溶解于水，具有良好的生物相容性和可控的力學性能，由于存在大量的親水基團，其含水率高達90%以上[12]。水凝膠因其三維網(wǎng)絡結構與體內心肌細胞所處基質微環(huán)境相似，被廣泛應用于工程化心肌組織的體外構建[12]。

Zhao等[13]將心肌細胞包埋在纖維蛋白水凝膠中，提高了心肌細胞的間隙連接蛋白表達及收縮力，改善了心肌組織的功能，但未能改善心肌細胞對電信號的傳導。近些年新型導電生物材料得到廣泛開發(fā)，通常是將水凝膠與導電材料復合起來，以制備具有導電性能的水凝膠材料。常用的導電材料包括碳納米管(CNT)[14]、石墨烯[15]、導電聚吡咯(PPy)[16]、聚苯胺[17]、金納米顆粒[18]等。Shin等[14]將新生大鼠心肌細胞接種到摻有CNT的光交聯(lián)甲基丙烯酸明膠水凝膠上以設計功能性心肌補片，結果表明，所得心肌補片具有明顯改善的電生理和力學性能，可促進心肌細胞的黏附和成熟、改善心肌細胞間的電耦合。但潛在的生物毒性限制了碳納米材料的進一步應用。導電聚合物因具有良好的生物相容性，在生物醫(yī)學領域得到了廣泛的應用。Wang等[16]用貽貝啟發(fā)性多巴胺交聯(lián)劑將PPy納米顆粒、明膠-甲基丙烯酸酯和聚(乙二醇)二丙烯酸酯整合成冷凍凝膠形態(tài)，并將心肌細胞種植在該導電水凝膠上，結果顯示導電水凝膠顯著增強了心肌細胞的附著、擴散能力以及細胞活力。然而，導電聚合物不易降解的特性限制了其在組織工程中的應用。Kashi等[19]用吡咯低聚物開發(fā)了一種新型可注射的導電水凝膠，該水凝膠具有優(yōu)異的導電性和生物可降解性，良好的生物降解性能有助于其在心肌組織工程中的應用。目前，可注射水凝膠因其可負載藥物和細胞的能力而受到廣泛關注[20-22]。作為在梗死區(qū)輸送細胞和藥物的載體，水凝膠可保護細胞和藥物免受惡劣微環(huán)境的侵害，這對新血管形成和心肌再生至關重要。然而，通過化學凝膠法制備的可注射導電水凝膠體系中通常含有殘留的單體、引發(fā)劑或交聯(lián)劑，而部分殘留劑如戊二醛對細胞有毒[23]。物理交聯(lián)可注射水凝膠由于細胞毒性較小受到了廣泛的關注，因此物理交聯(lián)可注射水凝膠的開發(fā)將是未來研究心肌修復生物材料的一個重要方向。

1.2 導電納米纖維支架

組織工程支架的關鍵作用在于引導細胞黏附、擴散、增殖以及促進組織修復[24]。納米纖維可以仿生細胞外基質的納米絲狀結構，平均直徑為50～500 nm[12]。作為電刺激平臺，導電納米纖維支架能夠與細胞產生較好的相互作用，且其較高的比表面積可為細胞培養(yǎng)提供充足的空間[12]。基于這些特點，納米纖維支架在心肌組織工程再生領域顯示出極為廣闊的應用前景。

天然材料如蛋白質或多糖因易于被細胞識別而受到再生醫(yī)學領域的關注，用于組織工程支架的天然材料主要包括纖維素[25]、膠原[26]、天然絲[27-28]等。Tsui等[27]開發(fā)了由絲素蛋白-PPy導電底物制成的具有生物相容性的心臟支架，該底物具有納米脊和凹槽的圖案，可模擬天然心肌細胞外基質的結構，從而增強人多能干細胞源心肌細胞的生物學特性。然而，天然生物材料在用作心肌組織工程支架時要經(jīng)歷繁瑣的純化技術，并且其被用作異種移植物或同種異體移植物時可能誘發(fā)免疫反應[29]。這些局限性促使研究者轉而探索合成生物材料。心肌組織工程支架制備中應用最多的合成材料是聚酯類人工合成高分子，包括聚丙交酯(PLA)、聚乙交酯(PGA)[30]和聚己內酯(PCL)[11]等。Song等[30]將PGA外科縫合線設計成彈簧狀線圈(見圖2(a))，通過多巴胺涂層(DOPA)增加PPy的黏附力；在體外接種心肌細胞后發(fā)現(xiàn)，心肌細胞沿著彈簧線圈軌道生長，呈細長形且出現(xiàn)高度定向的肌節(jié)，并伴隨心臟特異性蛋白α-肌動蛋白和連接蛋白CX43的高表達(見圖2(b))；將其注入發(fā)生心肌梗死的小鼠體內后發(fā)現(xiàn)，縮短分數(shù)和射血分數(shù)增大，梗死面積減小。在心肌組織工程研究中，將工程化的心肌組織植入體內后需對其性能進行監(jiān)測。聚偏二氟乙烯(PVDF)因其優(yōu)異的壓電性能、柔韌性和生物相容性而被用于監(jiān)測工程心臟組織的收縮[31]。Nofar等[31]制備了一種基于PVDF的纖維狀支架(見圖2(c))，其具有生物支架和傳感器的雙重功能，可測量由心臟組織產生的收縮，并且能夠將多能干細胞分化為心肌細胞，通過心臟特異性蛋白的高表達和心臟收縮功能的改善促進心肌細胞成熟。然而，納米纖維支架較弱的力學性能限制了其在心肌修復領域的應用。通過改性提高納米纖維支架的力學性能將是未來開發(fā)納米纖維支架的一個主要研究方向。

2 電刺激模型

研究發(fā)現(xiàn)，外加電刺激可使心肌組織產生響應并達到同步收縮，而電信號的這種興奮-收縮耦合對心臟的功能發(fā)育有著重要的促進作用[32]。電刺激會影響心肌細胞動作電位的產生與持續(xù)時間以及心肌細胞的搏動頻率，可增大具有自發(fā)搏動能力的細胞比例，從而促進細胞的同步跳動[33]。電刺激模型主要包括直流電刺激和脈沖電刺激。

2.1 直流電刺激

直流電療法是使用低電壓平穩(wěn)直流電通過人體一定部位治療疾病的方法，是最早應用的電療法之一。直流電刺激具有促進細胞生長和引導細胞趨向的作用。對組織細胞進行直流電刺激，可改變興奮細胞對Na+或Ca2+的通透性，從而產生動作電位，促使細胞內部的Na+、 K+離子通道發(fā)生變化而引起內部環(huán)境的改變，最終改變細胞的狀態(tài)[34-35]。

Thrivikraman等[36]將細胞接種在PANI-GNP導電膜上并以100 mV/cm的直流電和脈沖電刺激觸發(fā)人間充質干細胞的神經(jīng)源性/心肌源性分化。結果表明：施加直流電刺激時，細胞內Ca2+通過L型鈣通道進入細胞，該過程與神經(jīng)元Ca2+內流同時發(fā)生，大多數(shù)人間充質干細胞獲得更長的絲狀延伸，并趨向神經(jīng)元定向分化；施加脈沖電刺激時，細胞表現(xiàn)出遲滯的快速鈣瞬變，類似參與調節(jié)肌肉基因表達的Ca2+信號，大多數(shù)人間充質干細胞更傾向于心肌向分化。在上述條件培養(yǎng)的人間充質干細胞中，鈣反應的動力學差異說明這些鈣信號在驅動細胞選擇性分化中發(fā)揮的作用不同。現(xiàn)有研究較多使用脈沖電刺激探究電刺激對干細胞心肌向分化及心肌細胞成熟的作用。

(a) DOPA涂層的PPy/PGA三維心肌補片制備[30]

(b) 將DOPA涂層的PPy/PGA彈簧注入心肌梗塞小鼠體內[30]

(c) 具有生物支架和傳感器雙重功能的PVDF心肌補片制備[31]

2.2 脈沖電刺激

脈沖電刺激根據(jù)電流方向是否改變分為單相脈沖和雙相脈沖。研究[37]表明，不同方向脈沖對心肌細胞的成熟和功能化作用有所不同。鄭麗娜等[38]對小鼠胚胎干細胞施加5 d單相脈沖(電壓為10 V、頻率為0.5 Hz、脈寬為5 ms)，結果顯示，由電刺激組胚胎干細胞分化得到的心肌樣細胞搏動更快、更趨于一致，由胚胎干細胞誘導分化得到的心肌細胞的心肌肌鈣蛋白T(cTnT)熒光染色陽性率更高。但是連續(xù)的單相脈沖會引起電極的直流極化進而產生電化學副作用，易損傷細胞并腐蝕電極，而使用雙相脈沖可以避免這些問題。Richards等[39]用雙相脈沖(電場強度為2.5 V/cm、頻率為1 Hz、脈寬為5 ms)電刺激人多能干細胞(hPSCs)源心肌細胞，結果顯示，電刺激促進了間隙連接蛋白的表達，增加了hPSCs的自發(fā)搏動頻率。為比較單相和雙相電場刺激對體外培養(yǎng)心肌細胞結構和功能的影響，Chiu等[40]設計了一種生物反應器，通過對新生大鼠心肌細胞分別施加雙相方波脈沖(電場強度為2.5 V/cm、頻率為1 Hz、脈寬為1 ms)以及具有相同總幅度和持續(xù)時間的單相方波脈沖(電場強度為5 V/cm、頻率為1 Hz、脈寬為2 ms)，結果表明，雙相脈沖刺激組的細胞密度與同步收縮率更高，CX43的表達水平更高，但是雙相脈沖中的次級脈沖超級化可能會干擾動作電位的啟動[41]。

此外，通過優(yōu)化脈沖電刺激參數(shù)也可獲得更成熟、活性更強的體外心肌細胞。Tandon等[42]對新生大鼠心肌細胞施加脈沖電刺激時，通過改變電極材料、刺激幅度和頻率來確定最適合心臟組織工程的電刺激參數(shù)。結果表明，脈沖電刺激參數(shù)為碳電極、振幅3 V/cm和頻率3 Hz時，工程心臟組織的密度最高、cTnT和CX43表達最多、收縮作用最強。現(xiàn)有研究雖然已經(jīng)探究了脈沖電刺激參數(shù)對心肌細胞生長的影響，但未考慮脈沖電刺激參數(shù)對心肌細胞同步收縮的作用。因此，未來可通過結合灌注策略與電刺激促進心肌組織的同步收縮。

3 電刺激促進干細胞心肌向分化

干細胞是一類具有多向分化潛能和自我復制能力的未分化細胞，是形成哺乳類動物各組織器官的原始細胞[43]。由干細胞分化而來的心肌細胞被視為建立心臟藥理模型及進行心肌細胞治療最有希望的細胞來源。常見的干細胞來源包括胚胎干細胞(ESCs)、多能干細胞(PSCs)、誘導多能干細胞(iPSCs)、間充質干細胞(MSCs)等[13]。研究表明，在電刺激和分化因子共同作用下，干細胞具有向心肌細胞分化的潛能，主要表現(xiàn)為細胞形態(tài)發(fā)生變化、心臟轉錄因子表達增加及細胞內活性氧水平升高[44-50]。

3.1 電刺激作用下細胞形態(tài)的變化

干細胞在形態(tài)上具有共性，通常呈圓形或橢圓形，體積較小，細胞核較大且多為常染色質，具有較高的端粒酶活性。人類成年心肌細胞具有獨特的各向異性棒狀結構，長寬比為7∶1。在干細胞心肌向分化過程中，電刺激作用使得心肌細胞形態(tài)拉長，細胞表面積和體積增大[44]，細胞超微結構的成熟度發(fā)生變化。成年心肌細胞具有排列整齊的肌節(jié)結構、較高的肌原纖維密度以及成熟的線性Z盤結構[45]。

Wang等[45]研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯微片能促進hPSCs分化為功能性心肌細胞，具體表現(xiàn)為石墨烯底物可改善心肌細胞的表型，即出現(xiàn)較多棒狀細胞，其中雙核細胞數(shù)量明顯增多，且具有更成熟的線性Z盤結構，并且肌原纖維密度顯著增加。上述石墨烯導電底物通過內源電信號的刺激促進了干細胞的心肌向分化，而外源電信號的刺激能更好地實現(xiàn)這一目標。Eng等[46]連續(xù)7 d對ESCs來源的心肌細胞分別施加0.5、 1.0、 2.0 Hz的脈沖電刺激，結果顯示：在超微結構水平上，未刺激細胞的肌節(jié)短而無序；2.0 Hz電刺激組中細胞的肌原纖維平行排列，呈非常發(fā)達的條紋超微結構，并且具有連續(xù)的厚肌節(jié)亞基的重復序列。現(xiàn)有研究多是針對單獨內源或單獨外源電信號對細胞分化的影響，而未對兩者的耦合作用做深入研究，因此，內、外源電信號聯(lián)合刺激將是未來促進干細胞心肌向分化的一個主要研究方向。

3.2 電刺激促進心臟轉錄因子表達

轉錄因子是能直接或間接辨認和結合轉錄上游區(qū)段DNA的蛋白質，近年來轉錄因子Nkx2.5、 GATA-4、 cTnT、 SERCA、Tbx5和Hand2等陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)[47]。其中，轉錄因子Nkx2.5和GATA-4與心臟發(fā)育有著密切聯(lián)系。Nkx2.5參與心臟的成形，包括右側環(huán)化、心腔分化以及心臟間隔功能成熟，在心臟發(fā)育和保持出生后心臟穩(wěn)態(tài)，特別是在心臟功能成熟以及工作心肌和心臟傳導的功能維持等方面起到重要作用[48]。GATA-4的表達對內胚層的分化和腹部形態(tài)的成形而言必不可少，GATA-4蛋白水平過低將導致心肌細胞復制減少、心肌發(fā)育不全和心內膜墊缺損[49]。

研究表明，電刺激可促進干細胞分化過程中心臟轉錄因子的表達。Chan等[51]使用八通道C-Pace刺激器(電場強度為6.6 V/cm，脈沖頻率為1 Hz、脈寬為2 ms)在施加與未施加電場刺激的情況下，對培養(yǎng)了4 d的ESCs來源的心肌細胞進行分子分析和功能分析，定量聚合酶鏈反應顯示電刺激組SERCA、NKX2.5和GATA-4的高表達促進了ESCs向心肌細胞的分化。研究表明，對接種在導電材料上的干細胞施加電刺激能更好地促進心臟轉錄因子的表達。Ahadian等[52]將碳納米管嵌入小鼠胚狀體并使用C-Pace EP慢性細胞刺激器(電場強度為3 V/cm，脈沖頻率為1 Hz、脈寬為10 ms)電刺激小鼠干細胞，結果表明，未施加電刺激時載有碳納米管的小鼠胚狀體中Nkx2.5、cTnT、Myh7和GATA-4的表達明顯高于對照組，施加電刺激后進一步增強了心臟轉錄因子的表達。然而目前尚不明確電刺激促進心臟轉錄因子表達的調控機制，未來仍需進一步探究電刺激作用下心臟轉錄因子表達水平變化的機理。

3.3 電刺激促進活性氧水平升高

干細胞對電刺激反應的一個重要機制是產生活性氧(ROS)，主要由NADPH-氧化酶催化產生。生成的ROS可促進參與分化的其他信號分子的表達[53]。研究表明，在電刺激作用下ROS的激活是促使干細胞增殖和分化的重要因素[54]。Wolf-Goldberg等[55]研究發(fā)現(xiàn)，當在生理溶液中施加較高電場強度的刺激時，在陽極-電解質界面會產生ROS和其他自由基。由此可見，暴露于電場刺激時，細胞內ROS水平的升高有助于干細胞的分化。

4 電刺激促進心肌細胞的成熟和功能化

由干細胞分化而來的心肌細胞尚未完全成熟，將其移植到心肌梗死大鼠心臟后很難實現(xiàn)對心肌梗死區(qū)域的修復。研究表明，電刺激能夠促進心肌細胞的成熟和功能化，具體表現(xiàn)為電刺激對心肌細胞體外功能的改善以及對心肌梗死大鼠心臟功能的修復。

4.1 電刺激對心肌細胞體外功能的影響

4.1.1 電刺激對心肌蛋白表達的影響

研究表明，在導電基質上施加電刺激能夠促進心肌細胞的功能化，即心肌細胞的成熟和同步收縮。同步收縮能力主要基于心臟特異性蛋白如α-肌動蛋白和CX43的表達[16]。α-肌動蛋白可參與心肌細胞的成熟和肌肉收縮的調節(jié)；CX43蛋白是一種間隙連接蛋白，主要負責心肌細胞的電收縮偶聯(lián)和同步收縮。間隙連接蛋白的正常表達對心臟的同步搏動和泵血功能起著重要作用[15]。發(fā)生心肌梗死后，心臟纖維化和心肌細胞中間隙連接表達的缺失致使間隙連接重塑，很可能導致心律不齊。提高CX43蛋白表達可減輕心肌梗死后心律失常的可能。

Radisic等[56]使用脈沖電信號(矩形、電場強度為5 V/cm、頻率為1 Hz、脈寬為2 ms)連續(xù)5 d刺激新生大鼠心肌細胞，結果表明，細胞的α-肌動蛋白和CX43水平升高，收縮力和線粒體含量增加。此外，細胞外基質微環(huán)境也是影響心肌細胞功能化的重要因素。在生物醫(yī)學應用領域，生物材料的表面特性尤為重要，如表面的拓撲結構和表面化學物質對細胞行為起著決定作用。Au等[57]結合形貌和電刺激，在微槽聚苯乙烯上培養(yǎng)的新生大鼠心肌細胞顯現(xiàn)出成熟的跡象，并且細胞形態(tài)拉長，在細胞-細胞接觸區(qū)域處出現(xiàn)了間隙連接。為更好地模擬細胞內的三維環(huán)境，Wang等[58]將心肌細胞培養(yǎng)在三維生物材料上，結果表明，即使不施加電刺激，三維培養(yǎng)系統(tǒng)也能促進與心肌功能相關蛋白的表達，而電刺激可使這些結果得到進一步改善。現(xiàn)有文獻報道針對電刺激和細胞微環(huán)境聯(lián)合作用的研究較少且不夠深入，未來可深入探究兩者聯(lián)合作用對細胞功能化的作用。

4.1.2 電刺激作用下Ca2+濃度的變化

在成熟的心臟組織中，電信號通過細胞內、外的離子交換激活，并通過間隙連接傳播[59]。作為細胞內信號轉導系統(tǒng)的第二信使，Ca2+具有調節(jié)細胞功能、參與細胞信號跨膜傳遞和介導細胞對外界刺激的應答等作用。在正常狀態(tài)下Ca2+主要存在于細胞外，而細胞內游離的Ca2+濃度很低[60]。

心肌梗死模型中，鈣穩(wěn)態(tài)遭到嚴重破壞，鈣處理蛋白的改變及超微結構的改變影響了鈣瞬變，繼而影響鈣信號和心臟收縮功能。在心肌梗死過程中，肌漿網(wǎng)釋放的鈣減少且不規(guī)律[59]。研究表明，適宜的電刺激可使細胞外的Ca2+內流從而使細胞內的Ca2+濃度升高，即在外加周期性電場作用下，細胞膜去極化從而激活電壓門控型Ca2+通道，導致Ca2+內流，而細胞內Ca2+濃度增加又加速了細胞膜的復極化[37]。Holt等[61]對新生大鼠心肌細胞施加脈沖(電場強度為2 V/cm、頻率為1 Hz、脈寬為5 ms)刺激4 d，結果顯示，刺激組的鈣釋放率比未刺激組高25.4%；Song等[62]將心肌細胞接種在PPy修飾的殼聚糖多孔膜(SP)上，結果表明，在SP上生長的細胞表現(xiàn)出更高的跳動幅度和相對有節(jié)奏的Ca2+波動和更高的Ca2+振幅。總體而言，電信號、鈣瞬變和細胞反應之間存在一定聯(lián)系，但目前尚不明確電刺激介導的Ca2+增加的調控機制，因此仍需探究電刺激作用下Ca2+濃度變化的機理。

4.2 電刺激對心肌梗死大鼠心臟功能的影響

心肌細胞在體外發(fā)育成熟后，還要通過動物試驗觀察其對梗死大鼠心臟功能的影響。發(fā)生心肌梗死后，心臟功能逐步惡化，平均縮短分數(shù)和射血分數(shù)明顯降低，收縮期左心室內部尺寸明顯擴大，梗死大鼠的心室壁心肌完全被纖維化組織取代。研究表明，將體外經(jīng)電刺激培養(yǎng)成熟的心肌細胞植入心肌梗死大鼠心臟可增加平均縮短分數(shù)和射血分數(shù)，收縮期左心室內部尺寸明顯減小，纖維化區(qū)域減弱，并且可以促進血管再生[63]。

Cui等[20]用戊二醛將PPy與殼聚糖復合起來制得可注射導電水凝膠，將其注入冷凍損傷小鼠體內可促進損傷區(qū)域電信號的傳導并縮短心室除極持續(xù)時間。雖然現(xiàn)有心肌補片可通過傳導外部電刺激在一定程度上恢復心肌梗死部位的電信號傳導[64]，但其只考慮了靜態(tài)時心肌補片的導電性能與心肌組織的匹配性，忽略了導電心肌補片因心臟搏動發(fā)生變形后相應地會發(fā)生電阻變化，這會影響電信號的傳輸與心肌收縮的一致性。現(xiàn)有研究中制備導電心肌補片最常用的方法是在心肌補片材料表面沉積導電層，但是導電高聚物材料因拉伸變形較小難以與心肌補片基材的拉伸性能匹配，致使拉伸時導電心肌補片往往出現(xiàn)導電層破裂現(xiàn)象，導致電阻發(fā)生變化，從而影響外部電信號傳輸[65]。未來可通過預拉伸、卷積法等賦予導電心肌補片蠕蟲狀結構、螺旋結構和蛇形結構等，以使導電心肌補片具有應變不敏感性，從而具備導電穩(wěn)定性，更好地傳導外部施加電信號并恢復心肌梗死部位電信號的傳導。

5 結論與展望

本文總結了導電材料基電刺激平臺以及電刺激在干細胞心肌向分化和心肌修復中的應用。電刺激的非藥物治療手段、安全、經(jīng)濟等積極特性使得電療法治療心肌梗死得到廣泛的關注。體內、外試驗結果表明，在導電基質上施加電刺激可以增強在支架上培養(yǎng)的心肌細胞的分化和成熟，主要表現(xiàn)為電刺激作用下細胞形態(tài)發(fā)生變化、心臟轉錄因子表達上調、ROS激活、心肌特異性蛋白表達上調、細胞內相對有節(jié)奏的Ca2+波動和更高的Ca2+振幅以及心肌梗死小鼠體內射血分數(shù)和縮短分數(shù)的提高。

將形貌或3D微環(huán)境和電刺激相結合可顯著促進干細胞源心肌細胞的成熟，然而目前對這種聯(lián)合刺激的研究尚成熟，未來可更深入地探究細胞外基質微環(huán)境和電刺激對細胞的聯(lián)合作用。這種聯(lián)合刺激比單純電刺激顯示出更有益的效果，但是在模擬的細胞外基質微環(huán)境和天然心肌細胞微環(huán)境中培養(yǎng)的細胞的功能仍有一定差距。心臟本身是處于一個動態(tài)的力-電微環(huán)境中，因此力學刺激也是影響細胞功能的重要因素之一，力-電耦聯(lián)合刺激將是未來治療心肌梗死的一個重要手段。