*仅供医学专业人士阅读参考
点击右上方“关注”， 准时接收每日精彩内容推送。
我们的生命取决于器官和组织能否全天候准确工作。一旦受损，它们就可能失效，需要进行器官移植。然而，供体器官的稀缺导致对器官修复和再生的需求与日俱增。 心脏病 是导致死亡的主要原因之一，给社会带来沉重负担。心肌梗死是一种突如其来的疾病，但又是瞬间发生的。心肌梗塞（MI）时，缺血区域的微循环障碍会导致组织坏死和纤维组织形成，从而引起恶性心律失常和心肌重塑，影响心肌功能，降低患者的生活质量。心肌梗死时，缺血区域的微循环障碍会导致组织坏死和纤维化的形成，从而可能导致恶性心律失常和心肌重塑。
来自 加拿大曼尼托巴大学的邢孟秋（加拿大工程院院士） 团队与来自中国人民解放军陆军军医大学的曾文团队 合作开发了一种用于双向信号交流、按需泵送药物和心脏修复的微通道水凝胶缝合线 。心肌梗塞后，本研究开发的水凝胶缝合线通过移动设备监测异常心电图，并通过水凝胶缝合线的微通道按需触发一氧化氮，从而抑制炎症，促进微血管重塑，使大鼠和小猪的左室射血分数分别提高 60% 和 50% 以上。这项研究提出了一种双向通信缝合线，可作为心肌梗塞修复的心外科贴片，远程监控心脏，并可按需给药。相关工作以题为“Two way workable microchanneled hydrogel suture to diagnose, treat and monitor the infarcted heart”的文章发表在2024年01月29日的国际顶级期刊《Nature Communications》。
1. 创新型研究内容
本研究将这种多功能水凝胶缝合线命名为诊断、调养和监测缝合线（DTMS），它可以在缝合和调养后实时感知吻合伤口组织的信号，并按需进行监测。DTMS 是一种带有导电聚吡咯（Ppy）的微通道聚乙烯醇水凝胶缝合线。去质子化的 PVA 链通过氢键形成低膨胀率和柔韧弹性的水凝胶。由于其高效的导电性和独特的物理结构，DTMS 既可用作接收运动或生物电信号的受体，也可用作疾病干预的效应器。将 DTMS 与微型泵连接以输入液体，然后将带有微通道的缝合线用于组织编程给药。因此，本研究首先验证了水凝胶缝合线在大鼠皮肤、肌肉、肠道和血管组织吻合中的巨大潜力。然后，在心肌梗塞大鼠和迷你猪身上，DTMS 通过手机连续感知损伤组织的电生理变化，有效减少了心肌梗塞坏死组织的面积，挽救了心功能的衰退。
【DTMS设计】
考虑到缝合线的主要要求是强度、稳定性和生物相容性，本研究选择了具有生物相容性的聚乙烯醇（PVA）。本研究通过 OH- 离子的碱性攻击使聚乙烯醇羟基去质子化。随后，O-基团和游离 Na+ 之间的复合物可促进 PVA 链的伸展和排列，并形成结晶域。一旦与水接触，氢键就会取代 PVA 链的复合物，从而形成晶域。微晶的形成和氢键会排出水分子，从而形成低膨胀、高强度的水凝胶。通过在 PVA 溶液中均匀分布 10%的聚吡咯，水凝胶缝合线被赋予了导电性 ，因此本研究将 PVA-水凝胶缝合线命名为初级缝合线（PRIS），将 Ppy-PVA- 水凝胶缝合线命名为诊断-调养-监测缝合线（DTMS）。DTMS 的微通道具有双向工作能力，可将药物输送到甚至深层组织，并将信号从组织远程输出到外部移动设备。(图 1a）。水凝胶缝合线的生产过程非常简单（图 1b）。DTMS 和 PRIS 具有相同的水凝胶和缝合线特性（图 1c）。图 1d：扫描电镜显示，PVA 水凝胶缝合线（PRIS）外观光滑、紧密，具有中空微通道结构。由于添加了聚吡咯，DTMS 显示出轻微的粗糙度。只需在生产过程中调整模具，就可获得多尺度水凝胶缝合线，例如，其尺寸（外径，OD）可从 80 μm 到 1.5 mm 甚至更大（图 1e）。
图1 DTMS 的概念设计、制备和物理特性分析
【DTMS 的双向灌注功能】
水凝胶缝合线可成为通过微型泵输送药剂的流体通道，药物可从便携式泵定量进入体内受损组织（图 2a、b）。为了在可能存在手术结的情况下递送药剂，在间歇缝合的基础上，通过额外的连续缝合让药剂从一端的预设孔流出，在缝合部位发挥作用。此外，水凝胶缝合线还可以作为监测生化指标的提取通道。本研究使用商用动态血糖仪实时监测 DTMS 提取的间质中的葡萄糖含量，结果与外周血的血糖浓度一致。从伤口部位提取体液为早期检测感染和炎症提供了捷径。接着，药物扩散实验证实小分子药物可以通过水凝胶缝合线的管道屏障。水凝胶的渗透性使药物更容易进入组织。
【作为运动和生物电信号生物传感器的 DTMS】
聚吡咯（PPy）使 DTMS 具有出色的导电性（电导率≈ 1.47 S/cm），DTMS 可用于缝合或信号传导。对于正常和病理情况下的多种类型组织和复杂器官，DTMS 可用于组织吻合和捕捉组织生物信号。吻合组织中外露的导电缝线可将电信号传输到设备上，而绝缘的 PVA 外膜和相对固定的位置可使 DTMS 免受组织和环境的电磁干扰。对于大鼠骨骼肌，生物电信号蓝牙模块记录了正常肌肉运动和软瘫状态下的肌电图（图 2d）。当 DTMS 应用于结肠吻合处时，它检测到了肠蠕动和肠麻痹的电生理波形（图 2c）。大鼠心脏正常心肌的心电图信号也被监测到（图 2e）。与大鼠腹主动脉吻合后，DTMS捕捉到了血管波动的电信号，血栓闭塞后电信号消失（图 2f）。DTMS 和生物电信号蓝牙模块可以远程记录人体运动和姿势变化产生的肌电图（EMG）（图 2g）。作为导电弹性体，电阻式应变传感可反映水凝胶缝合线的拉伸-压缩运动状态。DTMS 可以在单轴拉伸测试中检测到正确的波形。此外，DTMS 还可用于感知人体运动。例如，水凝胶缝合线可感知身体关节的固化和语音识别（图 2i-l）。值得注意的是，通过与心脏相连的另一个 DTMS 输送药物并不会导致感觉漂移，心脏和肌肉本身的活动也不会对心电图信号的监测产生明显影响。本研究开发的缝合线还具有通过微创手术与宿主整合的潜力（图 2h）。
图2 DTMS的多物理功能
【DTMS 监测和改善心室功能】
为了评估 DTMS 的诊断-调养-监测效果，本研究选择了急性心肌梗死模型（图 3a）。在对 DTMS 的生物安全性和能力进行评估后，将水凝胶缝合线连续缝合在急性心肌梗死模型上，然后将水凝胶缝合线连续缝合到梗死的心肌表面。在确定一氧化氮（NO）供体药物--N-乙酰基-3-亚硝基硫缬氨酸（SNAP）在活性氧环境中不会造成进一步氧化损伤后，SNAP 被预装到体表的微型泵中，并通过本研究的微通道缝合线输送到心肌缺血缺氧调养中。第 30 天，使用电生理工作站测量各组大鼠的体表心电信号，这是临床上最常用的心脏测试（图 3b）。而与蓝牙模块连接的 DTMS 仍然可以感知大鼠的心电信号。手机上显示的心电图显示 MI 组的 S-T 明显升高。其趋势与电生理工作站采集的体表心电图相同，显示了两种方法的一致性。缝合线具有持续监测疾病状态和预后的临床潜力（图 3c、d）。显微 CT 和实时荧光成像显示，DTMS 通过微流控缝合线有效地将药物送入心肌。本研究的水凝胶缝合线可持续释放 BSA-DIR 至少 15 天（图 3e-g）。
图3 DTMS 监测和心肌梗塞（MI）干预
然后，本研究通过超声心动图研究了 DTMS 对改善心梗后心肌的调养效果（图 4a）。与心肌梗死组相比，S-DTMS 组（DTMS + SNAP 调养）的存活率高出 50%（图 4b）。1 个月后，超声心动图结果显示，S-DTMS 组大鼠的左心室功能得到挽救。S-DTMS组大鼠的左心室舒张功能障碍（LVDd）和左心室收缩功能障碍（LVDs）得到了明显的缓解（图4c，d）。DTMS组（单次DTMS调养）和SNAP组（单次SNAP调养）的左心射血分数（LVEF）随着时间的推移呈缓慢下降趋势（LVEF：52.24 ± 7.40%），而MI组的左心射血分数（LVEF：32.19 ± 5.82%）更低。然而，S-DTMS 组随着时间的推移逐渐恢复（LVEF：61.19 ± 6.30%）。从长期来看，与心肌缺血组相比，S-DTMS 组大鼠的左心室功能没有进一步恶化。与心肌梗死组（LVDD：16.8 ± 2.21 mm，LVDS：5.49 ± 0.58 mm）相比，S-DTMS 组大鼠在第 60 天至第 90 天的 LVDD 和 LVDS（LVDD：7.59 ± 0.79 mm，LVDS：3.22 ± 0.48 mm）明显减少。正电子发射计算机断层扫描（PET-CT）对心肌细胞活力的评估显示，与 MI 组相比，DTMS 组（1.1 倍）和 S-DTMS 组（1.5 倍）的标准化摄取值（SUV）更高，表明更多的心肌细胞得到了挽救（图 4g，h）。接下来，本研究评估了 DTMS 对 LV 重塑的影响。大体图像、H&E 染色和 Masson 染色均显示，S-DTMS 组的纤维化面积最小（比 MI 组小 50%），左心室厚度较厚（是 MI 组的 2.7 倍）（图 4f、i、j）。同时，H&E 染色和平滑肌也显示 SNAP 组保留了功能性心肌细胞（图 4f）。与心肌梗死组相比，接受本研究的缝合线调养组减少了心肌梗死后期的异常运动等恶性并发症，有效挽救了濒死的心肌细胞，改善了左心室重塑，并改善了心功能的下降。
图4 DTMS改善心肌梗死后大鼠心室正向重塑
【DTMS 诱导修复细胞浸润，促进组织恢复】
为了进一步分析缝合线对心肌梗死后的调养效果，本研究在第 7 天对大鼠心肌组织进行了大量 RNA 测序。通过测序获得的差异表达基因如图 5a 所示。通过对这些差异表达基因的进一步聚类和分析，本研究发现与心肌梗死组相比，SNAP组和S-DTMS组与炎症和纤维化过程相关的基因表达水平明显下降，与血管生成相关的基因表达水平较高，而DTMS组和S-DTMS组与心肌节律、肌动蛋白丝和细胞活化相关的基因表达水平明显升高。各组的差异基因火山图和气泡图分析也显示，S-DTMS 组与组织修复相关的基因表达水平较高，而与炎症相关的基因表达水平下降（图 5b）。在S-DTMS组的早期炎症阶段，S-DTMS水凝胶缝合调养可挽救缺血和濒死的心肌细胞，减轻应激和缺血再灌注造成的细胞损伤。此外，本研究还关注了第 7 天 M1 和 M2 巨噬细胞的数量和分布情况（图 5c-e）。本研究发现，在 MI 组中，与炎症有关的 M1 巨噬细胞要多得多（是 SNAP 组的 3 倍）。在 SNAP 组、DTMS 组和 S-DTMS 组，尤其是 S-DTMS 组（细胞数是 MI 组的 13 倍），观察到更多与组织修复相关的 M2 巨噬细胞。然后，本研究检测了心肌梗死早期大鼠组织匀浆中的炎症因子水平。IL-6和TNF-α的结果表明，与MI组、SNAP组和DTMS组相比，S-DTMS组的炎症水平较低（图5f，g）。最后，免疫荧光染色表明，S-DTMS 组心肌梗死区的纤维化程度比 MI 组轻，存活的心肌组织面积更大。
图5 DTMS 可促进血管生成，改善 MI 区域的血液供应
【S-DTMS 改善猪心肌梗死后的心功能和心室重塑】
本研究在心肌梗死小鼠模型中进一步评估了 DTMS（图 6a，b）。心肌梗死发生后，通过手术将 DTMS 移植到损伤的心肌组织中。通过微泵和 DTMS 将 SANP 泵入梗死组织。一个月后，本研究的缝合线仍能通过蓝牙模块将S-T段抬高的心电图信号转换到手机上（图6c）。MI 组和 S-DTMS 组都出现了 S-T 段抬高，这是 MI 的典型特征。本研究通过超声心动图研究了心脏舒张和收缩功能（图 6d）。与 S-DTMS 组（LVDd:3.35 ± 0.15 cm，LVDs:2.07 ± 0.17 cm）相比，MI 组的左心室舒张功能障碍（LVDd）和左心室收缩功能（LVDs）几乎扩张了两倍（LVDd:6.74 ± 0.38 cm，LVDs:4.07 ± 0.29 cm）（图 6e，f）。MI 组的左心室射血分数（LVEF）明显下降（24.54 ± 6.30%），而 S-DTMS 组（49.67 ± 5.76%）接近正常。MI 组（14.28 ± 5.21%）的左心室折返缩短率（LVFs）表明出现了失代偿状态。但通过本研究的智能缝合和给药，S-DTMS（LVFS:27.43 ± 3.63%）得到了明显改善（图 6g，h）。本研究的 DTMS 减少了病理心室重塑，保留了收缩和舒张功能，并能有效地将血液泵出心脏。免疫荧光的胶原 I 和 III、α 平滑肌肌动蛋白和 CD31 染色也支持这一结论。与 S-DTMS 组相比，MI 组的瘢痕组织宽度是 S-DTMS 组的 1.8 倍，面积是 S-DTMS 组的 2 倍（图 6-i-k）。本研究发现 S-DTMS 还促进了猪体内更多血管的形成，并减少了胶原 I 和胶原 III 的沉积（图 6l）。
图6 S-DTMS 调养猪心肌梗死
然后，本研究应用 cMRI 分析了左心室组织的特征（图 7a）。本研究观察到，心肌梗死组的左心室广泛发生跨壁心肌梗死，有心脏破裂的风险。与此相反，S-DTMS 组没有出现明显的这种情况。晚期钆增强（LGE）序列显示，与 S-DTMS 组相比，由于瘢痕区正常细胞结构的丧失，造影剂在 MI 组心肌梗死区的显着减少。心肌梗死组的 LGE 阳性区域更大（是 S-DTMS 组的 1.9 倍），这表明大部分心肌细胞已经丧失（图 7d）。然后，本研究使用细胞外基质体积分时法（ECV）计算心肌组织中非心肌细胞成分所占的体积范围，即细胞外基质所占的比例。MI 组的 ECV 为 74.14 ± 3.79%，是 S-DTMS 组（48.34 ± 8.12%）的 1.5 倍。这表明DTMS通过减少纤维化减轻了细胞外基质的沉积，从而缓解了心脏舒张和收缩功能的限制（图7b，c）。本研究还观察到 MI 组心室壁变薄的程度是 S-DTMS 组的 0.48 倍（图 7e、f）。此外，本研究还通过心血管磁共振特征跟踪技术（CMR-FT）对节段性心肌组织应变进行了定量评估。所有心脏节段均按照 AHA 标准进行划分和定量检测（图 7g）。在一个心动周期中，基于时间序列的心肌节段评估表明，心肌梗死组的径向和环向应变总体下降（图 7h，i）。峰值应变参数也支持这一结论（图 7j、k）。CMR-FT 的结果表明，心肌梗死组的心脏不良事件更为严重，而 DTMS 可降低心脏事件的风险。
图7 通过 cMRI 评估猪心肌梗死后的心脏功能
2. 总结与展望
当前，调养心肌梗死的多功能心脏贴片无法实现诊断、调养和监测的一体化。本研究报告了一种用于心脏修复的微通道水凝胶缝合线。水凝胶缝合线的弹性、低摩擦力和刚度确保它能保持良好的机械性能，以适应伤口水肿的张力，并在水肿消退后恢复原来的张力。适度的弹性避免了缝合造成组织缺血和坏死的潜在风险。同时，水凝胶缝合线的微流通道还提供了双向的药物输送和体液信号获取途径。通过轻松调整水凝胶缝合线的成分，水凝胶还被赋予了其他功能，如光热效应和力发光。因此，虽然带有微流道的 DTMS 具有毛细现象，但 DTMS 的光热效应提供了一种基于物理方法广泛杀灭病原体的方法，避免了 DTMS 允许液体流经组织屏障而造成感染的潜在风险。力诱导发光水凝胶缝合线可将应力刺激转化为光信号，可用作潜在的新型传感器来检测生命信号，如运动、呼吸和脉搏。
了解更多
关注“EngineeringForLife”，了解更多前沿科研资讯~
