納米材料在心肌梗死治療中的進展

葛妍敏 牛夢瑤 王佳欣 胡曉惠 武軍鐸

(1.吉林大學第二醫院心內科,吉林 長春 130000;2.重慶醫科大學第二附屬醫院心內科,重慶 400000)

急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是冠心病的嚴重類型,為致死致殘的主要原因[1]。經皮冠狀動脈介入治療或靜脈溶栓治療均可降低急性期的死亡率,但開通梗死冠狀動脈后容易發生缺血再灌注(ischemic reperfusion,IR)損傷,造成負性心肌重構和心功能不全,最終進展為心力衰竭或猝死。目前的治療手段并未從根本上修復損傷的心肌,有效恢復心臟功能。清除活性氧(reactive oxygen species,ROS),減少心肌細胞的炎癥反應和凋亡,促進缺血區域血管再生,抑制惡性心律失常是心肌梗死(myocardial infarction,MI)后心肌修復的關鍵[2]。納米材料和其他材料組成的復合物可改善材料性能,在多種疾病的診治中具有廣闊的應用前景,現就納米材料在MI及其并發癥中的治療進展做一綜述,旨在為治療MI提供新的思路。

1 納米材料的特點

納米材料是指至少在一個維度[如長(x)、寬(y)和高(z)]上的尺寸為1～100 nm的粒子,按照維度可分為4類:零維納米材料指三個維度都處于納米尺寸的顆粒,如富勒烯C60和C70;一維納米材料指三維中有二維處于納米尺寸的材料,如納米線、納米管等;二維納米材料指三維空間中只有一維處于納米材料的尺寸,如超薄膜、多層膜;三維納米材料是指具有納米結構的塊體,如納米介孔材料、納米金屬。納米材料可負載多種治療藥物,如血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、成纖維細胞生長因子、miRNA、干擾小RNA、小分子微粒和多種干細胞等[3]。

納米材料具有較高的表面積體積比、內在穩定性、生物相容性、低細胞毒性、靶向性的特性。Hosoyama等[4]開發了膠原蛋白和納米工程復合導電心臟貼片,發現含金納米材料的心臟貼片的電導率和37 ℃下的穩定性均高于純膠原纖維組織,表明納米材料具有更好的穩定性。Chen等[5]探索了多功能硅氧化鐵納米顆粒對人間充質干細胞的作用,結果表明氧化硅納米顆粒不影響人間充質干細胞的分化、增殖、遷移及細胞表面各型分子的表達,由此說明納米材料具有較好的生物相容性和低細胞毒性。Guo等[6]采用SOD偶聯到納米金屬有機框架得到相同的結論。此外,Ai等[7]發現納米顆粒對心肌IR損傷部位具有靶向性,在小鼠行心臟IR手術后,與假手術組相比,手術組心肌損傷部位膽紅素納米顆粒熒光強度顯著增加。以上實驗均證明了納米材料的優勢。

目前用于修復梗死心肌的納米材料主要包括脂質體納米粒子、納米碳基材料(碳納米管、石墨烯、富勒烯等)、無機金屬元素(金、銀、鈣、鋅等)、高分子納米材料(聚乙二醇、殼聚糖、聚乳酸等)、聚合物納米纖維等[8]。最近有研究[9]報道納米材料在心臟組織工程中的應用主要包括兩個方面:制作可注射材料和心臟貼片治療MI。

2 納米材料在MI中的作用

2.1 ROS清除

MI再灌注后產生過量的ROS,超出機體自身的清除能力,氧化應激發生。ROS可通過與各種生物分子(如脂質、蛋白質和核酸)反應加重心肌組織的損傷[10]。納米材料清除ROS的機制:納米顆粒負載ROS清除的藥物或納米材料本身具有抗氧化性能;ROS響應式納米顆粒即靶向過量ROS的目標位點釋放藥物[11]。

Altshuler等[12]用納米顆粒封裝的SOD(NP-SOD)與游離SOD表現出相似的酶活性,通過鐵細胞色素C測定法測量。在體外IR模型中,與對照相比,游離SOD和NP-SOD可降低ROS,保持線粒體完整性并提高細胞活力。Liu等[13]將槲皮素裝載在二氧化硅納米顆粒上,增強激活JAK2/STAT3通路。在IR手術大鼠模型中,含有納米顆粒的槲皮素組中SOD和谷胱甘肽還原酶增加,抑制氧化應激,促進心臟血流恢復。H2O2的大量積累是IR誘導的組織損傷的關鍵致病機制,Bae等[14]制備新型H2O2響應性抗氧化聚合物納米顆粒顯著降低了NADPH氧化酶2和NADPH氧化酶4的表達水平,有利于減少IR后ROS的生成,有效減輕IR損傷,減小梗死面積,改善心臟功能。

2.2 免疫調節和抑制炎癥

AMI后,免疫調節在心肌損傷后心臟的修復過程中起著關鍵作用。如果免疫細胞在受損心肌中過度聚集或長期浸潤會加重心肌細胞損傷和重構[15]。納米材料可直接靶向炎性細胞,控制其數量、改變其表型或調控其特定功能,也可提高藥物對炎性細胞的靶向性,延長藥物在梗死部位的滯留時間或控制藥物的釋放,抑制炎癥反應,減輕心臟損傷。

巨噬細胞是炎癥的基本細胞,分為促炎表型(M1)和抗炎表型(M2)。在炎癥反應的早期階段,M1釋放促炎細胞因子、ROS等,增強吞噬作用;在炎癥消退階段,M2釋放抑制炎癥因子,發揮抑制炎癥反應和組織修復能力的作用[16]。有試驗[17]已證實抑制巨噬細胞M1和誘導巨噬細胞M2可有效控制炎癥。Kwon等[18]開發的新型可注射的天然黑色素納米顆粒/水凝膠材料通過PI3K/Akt1/mTOR信號通路誘導M2極化,抑制炎癥反應、減少IR損傷。在小鼠MI模型皮內注射載有MI相關抗原和雷帕霉素的脂質體納米顆粒,能誘導抗原調節性T細胞的產生,促進修復性巨噬細胞的生成,從而減輕炎癥,抑制心肌重構,改善心臟功能。甲氨蝶呤屬于抗葉酸類化合物,是二氫葉酸還原酶的抑制劑,具有抗炎作用。在大鼠MI模型中,脂質納米顆粒作為抗炎藥物甲氨蝶呤的載體,使細胞對藥物的吸收增加80倍,有效降低M1細胞數量、增加抗炎細胞因子白細胞介素(interleukin,IL)-10的表達[19]。

2.3 抗心肌細胞凋亡

細胞凋亡與MI后左心室重塑和心力衰竭密切相關[20]。由于心肌細胞屬于永久性細胞,不具有再生能力,故抑制細胞凋亡、減少MI面積和改善心臟功能,對提高患者生存率具有重要意義。納米材料負載藥物通過調節與凋亡有關的細胞信號通路,抑制Bax和caspase-3等基因,進而抑制心肌細胞凋亡。

Sayed等[21]采用樹枝狀聚合物納米載體遞送miRNA,觀察到抑制凋亡的Bcl-2基因表達增強和誘導凋亡的caspase-3基因表達減弱。干細胞是一種多潛能的細胞,具有自我復制和分化的能力,但分化程度較低的干細胞如果直接置于MI部位可能在心肌內形成畸胎瘤,且有利的單個細胞很難留存于梗死部位,但如果將干細胞用納米顆粒包裹,則能很好地解決這一問題[22]。越來越多的證據證明,納米材料可促進干細胞增殖和分化,Tang等[23]研發孔徑極小的納米級P(NIPAM-AA)溫敏材料,利用其獨特的物理性質,發現使用P(NIPAM-AA)溫敏材料封裝干細胞會減少凋亡細胞數量,心臟干細胞也能長期發揮心臟修復作用。納米材料通過控制和釋放組織金屬蛋白酶抑制因子3、成纖維細胞生長因子-2和基質細胞衍生因子-1α,激活Akt和ERK1/2信號通路,從而抑制caspase-3基因介導的心肌細胞凋亡,提供MI后的整體心臟保護[24]。

2.4 抗心肌纖維化

心肌纖維化時心肌組織中Ⅰ型/Ⅲ型膠原纖維過度沉積,各型膠原比率失調,導致心肌結構紊亂,瘢痕形成,順應性下降,心室舒張功能障礙,促進不良心血管事件的發生[25]。納米材料清除轉化生長因子-β、IL-11、IL-13和IL-17等各種纖維化因子,從而調節促纖維化的微環境;同時減少肌成纖維細胞的聚集和纖維組織形成,恢復心臟功能[26]。

注射細胞外基質金屬蛋白酶誘導劑-順磁性納米顆粒,顯著減少IR豬模型中膠原纖維的沉積,減少Ⅰ型/Ⅲ型膠原纖維的比例和梗死面積,抑制瘢痕形成[27]。Wen等[28]構建腎素-血管緊張素系統啟發的雙配體超分子納米纖維,通過靶向遞送和聯合治療來反向調節腎素-血管緊張素系統,抑制心肌分泌促纖維化因子,減少心臟成纖維細胞的形成和遷移,發揮保護受損細胞的作用。干細胞具有多分化潛能,能促進血管生長、抑制心肌纖維化和改善缺血損傷。Lee等[29]利用來自氧化鐵納米顆粒結合的間充質干細胞抑制心肌成纖維細胞的分化,抑制心肌纖維化相關的轉化生長因子-β的表達,增加心肌的存活面積。

2.5 促進血管形成

AMI對冠狀動脈微循環造成巨大損傷,導致MI區域血管解體和毛細血管稀薄。MI后的組織修復是從梗死邊界區開始并延伸到核心區的血管生成反應,新生血管形成與良好的預后相關[30]。使用納米結構載體裝載和輸送各種天然和合成的促血管生成物質,參與血管生成過程的分子機制(信號通路、介質和受體),包括VEGF/VEGF受體、血小板衍生生長因子B/血小板衍生生長因子受體-β和血管生成素等,恢復心肌血運重建和心臟功能[8]。

血管生成肽納米纖維增加大鼠MI模型的VEGF-A和血管生成素1的表達,在無需添加其他衍生分子的條件下,增強心臟血管再生和心臟功能[31]。Li等[32]利用介孔二氧化硅納米顆粒實現miRNA-21-5p按需遞送,增強VEGF的表達以及與受體的結合,激活ERK-MAPK信號轉導,促進新生血管的形成。肝細胞生長因子前體是一種多功能的生物因子,在促進血管生成和抗凋亡方面起重要作用。自組裝的超分子納米纖維具備更好激活肝細胞生長因子前體的能力,激活的肝細胞生長因子前體與間質表皮轉化因子Met結合啟動信號,延長肝細胞生長因子在梗死區域的存留時間,更好地發揮抗凋亡和促進血管生成的作用[33]。Sun等[34]利用超順磁性氧化鐵納米顆粒聯合CD34抗體,提高內源性內皮祖細胞在缺血區域的存留率,實驗發現小鼠MI部位毛細血管數量、微血管密度均高于對照組,表明負載CD34抗體的超順磁性氧化鐵納米顆粒能有效促進心肌血運重建和功能恢復。

2.6 抗MI相關心律失常

心律失常在AMI后的發生率為75%～95%,多發生在AMI后1～2 d內,而以24 h發生率最高,可引起心臟傳導系統的紊亂,甚至導致心搏驟停、猝死。納米材料促進電整合,恢復電傳導,有助于恢復MI區域的同步收縮。

Lagonegro等[35]在大鼠左心室梗死區域的局部多次注射納米線,恢復了心電圖參數和脈沖傳播,未來在進一步評估后可用于臨床治療。大多數合成水凝膠機械性能較弱,缺乏導電性能,如果加入石墨烯可賦予水凝膠材料所需的導電性,Zhou等[36]制備了加入氧化石墨烯納米顆粒的導電水凝膠,通過激活典型Wnt信號通路,在健康心肌與瘢痕心肌細胞之間提供機械支持和電轉導,促進了Ca2+信號轉導,從而上調Cx43和間隙連接相關蛋白的生成。Zhao等[37]開發還原氧化石墨烯功能材料,MI模型大鼠通過電刺激誘導心室顫動,還原氧化石墨烯組梗死區域內和周圍的電網絡部分重建,使正常電信號從非梗死心肌快速傳播,糾正心律失常。

Wang等[38]制造了一種新型混合水凝膠,它具有可拉伸性和出色的各向異性導電性,團隊成功地用這種水凝膠做治療性心臟貼片,其誘導培養的心肌細胞呈細長形態,實現電信號的穩定定向傳輸并減輕MI。Yu等[39]通過動態共價/非共價交聯開發出一種可注射的心臟貼片,心臟貼片可在梗死區建立電傳導,以增加電傳播的速度和幅度,實現瘢痕組織的同時電激活。

3 總結與展望

納米材料具有多重作用:(1)可作為藥物載體將藥物靶向輸送到心肌損傷部位,減少藥物對正常組織的損害;(2)在藥物遞送過程中保持完整性和生物活性,實現藥物的控制性釋放,減少藥物毒副作用;(3)具有緩釋功能,改變藥物的半衰期,延長藥物的作用時間;(4)協助藥物調節細胞信號通路,改善心肌細胞代謝,增強心臟功能,改善心室重塑。納米材料自身也具有抗氧化、免疫調節作用,可實現對心臟的保護,修復受損的心肌細胞,為MI的有效治療提供更優的策略。

納米材料在其應用上也存在一定的缺點。首先,各研究在納米材料的特性、有效載荷、給藥方法以及心臟修復評估方法等方面不太一致。即使在單一研究中,也很難在狹窄的范圍內控制合成顆粒的大小等特征。這種顯著的異質性會導致重復實驗或在不同條件下觀測結果的差異。其次,納米載體體內清除率低,可能存在長期的潛在毒性,誘導細胞毒性,需更多的研究來開發穩定有效的納米材料[40]。最后,目前有關納米材料的研究都處于臨床前實驗階段,各種動物模型不能充分模擬人體的狀態,因此需大量的臨床試驗予以證實,后續有待進一步探索。