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缺血性心脏病是全球范围内导致死亡的主要原因之一，每年夺去数百万人的生命。 其病理机制主要由动脉粥样硬化斑块的破裂或侵蚀引发，暴露的促血栓核心激活凝血级联反应，直接导致缺血区域心肌细胞坏死。尽管药物和再灌注策略等常规治疗手段存在，但受损的心肌细胞难以自我恢复，后续信号通路会通过不良的组织重塑进一步加剧心力衰竭。在缺血应激下，梗死后心脏会激活心脏成纤维细胞并重塑心肌细胞，常导致过度纤维化和肥大，进一步恶化心功能。数十年来，临床前研究中的干细胞疗法在心肌细胞再生和组织重塑方面展现出令人鼓舞的结果，但由于移植细胞滞留率低、无法有效激活宿主心肌细胞等因素，很少有制剂成功实现临床转化。

为此，浙江大学顾臻教授、张宇琪研究员、南京大学顾竹笑开发了一种可植入的电活性装置，用于增强干细胞疗法和心肌细胞修复，以实现有效的心脏恢复（图1A）。 该装置采用压电微针贴片，具有80立方毫米的空腔，可高效地将15万个骨髓间充质干细胞递送至梗死部位，并延长其停留时间以实现持续的旁分泌效应。同时，由聚左旋乳酸微针基质产生的压电刺激进一步增强了干细胞的活性，并激发心肌细胞更强大的自我修复反应。在大鼠心肌梗死模型中，该策略有效抑制了炎性单核细胞、减少了心肌细胞坏死并改善了心脏重塑。相关成果以“Electroactive microneedle augmented stem cell therapy in myocardial infarction为题，发表在《Science Advances》杂志上。

该电活性微针贴片由可生物降解的聚合物聚左旋乳酸通过“过冷成型”技术制备而成。研究人员首先将聚左旋乳酸加热至235°C熔化，然后将其冷却至平衡熔点157°C以下，并借助三维打印模具进行等温孵育2小时，从而引发受控结晶，增加负责增强压电性能的β相比例。最终获得的装置配备12个钝头针尖，每个针尖具有约80立方毫米的大型细胞封装腔和24个用于介质交换的通道（图1B）。这种微针设计避免了直接穿透组织，同时最大化腔体空间和组织-材料界面。一个直径9毫米的圆形底座用于防止细胞泄漏或与胸腔内壁摩擦（图1C）。每个针尖高1毫米、半径1毫米、中心间距2毫米，扫描电镜图像清晰地展示了这一微观结构（图1D-E）。穿孔内侧面积范围为2400至7520平方微米，外侧面积范围为11600至23500平方微米，为植入的间充质干细胞与宿主细胞之间提供了充足的交换通道（图1F）。

图1. 用于心肌梗死细胞治疗的压电IEMP递送BMSC的设计。（A） 压电IEMP介导的干细胞疗法增强BMSC、抑制经典单核细胞活化、增强心肌细胞自我恢复、促进血管生成并减少疤痕组织的方案示意图。（B） IEMP和底座的3D结构及组装示意图。（C） IEMP的照片。（D和E） IEMP的代表性扫描电子显微镜图像。（F） 基于SEM图像测量的每个穿孔从外侧和内侧的三角形面积。

关于压电性能，研究人员通过结合三维打印模具和PDMS模具的过冷成型方法制备了IEMP（图2A）。过冷处理后聚左旋乳酸在傅里叶变换红外光谱中显示出1747和1757 cm⁻¹处的两个特征带，表明偶极子排列和随时间推移的相变（图2B）。X射线衍射结果进一步证实，部分晶核转变为β晶核，且β相随着处理时间延长而显著生长（图2C）。差示扫描量热法曲线显示β相的形成使熔融温度轻微升至约166°C（图2D）。在体外测量装置中（图2E），面积为63.6平方毫米的压电微针贴片在0.5 W/cm²的低强度超声下能产生约4.6 V的稳定电输出（图2F）；当超声强度增至1.1 W/cm²时，电压输出进一步提升至5.6±0.2 V（图2G）。增加贴片表面积可捕获更多来自超声探头的能量，从而进一步提高电压输出（图2H）。过冷处理时间延长可增强压电性能（图2I），但超过2小时会因过度结晶导致脆性增加而影响机械完整性。在猪皮离体实验装置中（图2J），聚左旋乳酸基贴片甚至产生了比体外更高的电压输出，归因于生物组织更高效的超声能量传递（图2K）。

图2. 压电IEMP的表征。（A） 结合3D打印模具和PDMS模具的IEMP制备方案。（B） 过冷不同时间后PLLA的傅里叶变换红外光谱。（C） 过冷不同时间后样品的1D-WAXD谱图。黑色箭头标记β相的存在。（D） 过冷不同时间后样品的DSC曲线。（E） 体外压电测量装置的照片。（F） 超声仪在0.5 W/cm²强度下激发的压电电压（及放大图）。（G） 不同功率强度下的电压输出。（H） 不同过冷时间后不同表面积的PLLA薄膜的电压输出。（I） 不同过冷时间下的电压输出。（J） 猪皮下的离体实验装置照片。（K） 离体装置中不同功率强度下的电压输出。

在细胞负载能力方面，共聚焦显微镜确认标记的细胞占据了从针尖到基底的整个针体区域，三维重构和截面视图清晰展示了细胞的分布（图3A）。在贴片内停留6小时后，细胞存活率高达92.6±2.2%（图3B）。浸入培养基后3分钟内的重叠图像显示未见明显细胞泄漏（图3C）。利用骨髓间充质干细胞固有的成纤维特性使其自发粘附于贴片内表面，在GelMA中的释放行为示意图及释放6小时后的截面视图展示了细胞的迁移情况（图3D）。负载后静置1小时或4小时的定量分析显示，静置4小时可使约96.4%的细胞附着（图3E）。在明胶甲基丙烯酸酯水凝胶中孵育24小时后，可观察到明显更密集的细胞层，表明细胞在贴片内的活跃扩散和定植（图3F）。

图3. IEMP装置的BMSC负载能力。（A） 共聚焦显微镜下负载Dil标记BMSC的IEMP的3D构建和截面视图。（B） 负载过程中BMSC的存活率。（C） IEMP浸入培养基后3分钟内（每10秒拍摄一次）的重叠图像。（D） 负载BMSC在GelMA中的行为示意图及释放开始6小时后代表性层的截面视图。（E） 细胞负载后静置1或4小时后IEMP装置中附着和漂浮细胞的百分比。（F） 释放后不同时间点负载Dil标记BMSC的IEMP的3D构建。

压电刺激对细胞功能的影响方面，直流和交流电刺激对骨髓间充质干细胞活力的影响数据显示，施加外部电场2分钟后细胞仍保持持续活力（图4A）。不同持续时间交流电刺激后的细胞活力表明，仅部分细胞在长时间暴露后失去活力（图4B）。不同强度超声处理后IEMP内骨髓间充质干细胞的活力显示，大部分细胞能够承受超声功率强度的增加（图4C）。在低氧条件下，通过Transwell共培养系统，骨髓间充质干细胞的存在显著降低了心肌细胞的凋亡率（图4D）。人脐静脉内皮细胞的管形成实验表明，IEMP中的骨髓间充质干细胞具有血管生成潜力，而单纯的压电效应则不具备这一作用（图4E）。经周期性压电刺激3天后，检测到骨髓间充质干细胞中Vegfa、Hfg和Igf-1的mRNA水平显著升高，这些增强效应在7天后在mRNA和蛋白水平上均得以维持（图4F）。对于缺血条件下的心肌细胞，装载骨髓间充质干细胞的压电微针贴片处理显示，负责细胞存活的PI3K/Akt1信号通路被积极转录，同时该通路的抑制因子Pten也上调，参与细胞存活和重塑的Rhoa表达也升高，而心肌梗死后病理状态下常过度表达的ANP显著下调，进一步支持了间充质干细胞和压电刺激共同激发了心肌细胞的再生潜力（图4G）。

图4. IEMP通过旁分泌和电刺激增强BMSC的治疗潜力。（A） 直流和交流电刺激对BMSC活力的影响。（B） 不同持续时间交流电刺激后的BMSC活力。（C） 不同强度超声处理后IEMP内BMSC的活力。（D） 低氧条件下不同处理组心肌细胞的凋亡率。（E） 不同处理组中HUVEC的管形成及定量分析。（F） 不同处理组BMSC中Vegfa、Hfg和Igf-1在第3天和第7天的相对mRNA水平。（G） 不同处理组缺血条件下心肌细胞中与细胞存活、肥大和纤维化相关基因的相对mRNA表达。

在大鼠急性心肌梗死模型中，研究人员建立了详细的动物实验时间线（图5A）。借助IEMP，植入的DIR标记的骨髓间充质干细胞比心肌内注射停留时间更长，代表性图像和定量分析证实了这一点（图5B）。第2天大鼠心脏的代表性H&E染色显示，压电贴片治疗组的心肌内胶原沉积显著减少（图5C）。基于流式细胞术结果，第3天和第7天经典单核细胞（CD43高表达His48高表达）与非经典单核细胞的比例在IEMP/BMSC治疗组中显著降低，表明压电刺激对单核细胞群体的免疫调节作用（图5D）。第7天和第28天的代表性M型超声心动图图像及定量分析显示，从第3天起，三个产生压电的组均表现出优越的心脏收缩能力；然而，单纯的压电刺激或单纯的干细胞递送均不足以最大化治疗效果（图5E）。相比之下，第28天的代表性Masson三色染色及基于组织切片的左心室壁厚度定量分析显示，装载骨髓间充质干细胞的贴片组显示出显著更厚的左心室前壁组织和更小的纤维化面积（图5F）。

图5. BMSC负载IEMP可减少梗死壁中的单核细胞浸润并限制纤维化。（A） 动物实验时间线。（B） 代表性的DIR标记BMSC在IEMP/BMSC或心肌内注射BMSC后的持久性图像及定量分析。（C） 第2天大鼠心脏的代表性H&E染色。（D） 基于流式细胞术结果在第3天和第7天经典单核细胞与非经典单核细胞比例的定量分析。（E） 第7天和第28天不同组的代表性M型超声心动图图像及定量分析。（F） 第28天的代表性Masson三色染色及基于组织切片的左心室壁厚度定量分析。

进一步分析显示，Cx43、α-辅肌动蛋白和DAPI的代表性免疫荧光染色以及定量分析表明，在装载骨髓间充质干细胞的贴片组梗死区内，剩余心肌细胞中缝隙连接蛋白Cx43的表达更高，表明该区域内电耦合和代谢通讯的增强（图6A）。α-SMA、α-辅肌动蛋白和DAPI的代表性免疫荧光染色，以及边界区和梗死区α-SMA阳性小动脉的定量分析显示，装载干细胞的组别血管数量显著增加（图6B）。cTnT和DAPI的代表性免疫荧光染色，以及梗死区cTnT覆盖率的定量分析发现，梗死区内存活心肌细胞尽管呈现碎片化但频率更高，导致整体覆盖面积更大，这解释了该组在心室壁厚度和左心室功能方面的更优表现（图6C）。

图6. IEMP介导的干细胞疗法改善心肌细胞的连接和存活。（A） Cx43、α-辅肌动蛋白和DAPI的代表性免疫荧光染色，以及Cx43染色面积百分比和平均荧光强度的定量分析。（B） α-SMA、α-辅肌动蛋白和DAPI的代表性免疫荧光染色，以及边界区和梗死区α-SMA阳性小动脉的定量分析。（C） cTnT和DAPI的代表性免疫荧光染色，以及梗死区cTnT覆盖率的定量分析。

总结来说，缺血性心脏病目前仍是全球首要死因，而干细胞疗法在心脏再生领域虽历经数十年研究，仍面临移植细胞滞留率低、与宿主细胞交互不足等挑战。 该研究开发的可植入电活性装置不仅能够封装大量骨髓间充质干细胞以实现靶向、持续的心脏递送并保持高活性和功能性，还能通过压电刺激增强干细胞的旁分泌效应，同时减轻组织损伤。在大鼠心肌梗死模型中，该装置促进了干细胞在左心室前壁的长时间滞留，电增强的干细胞作为持久的旁分泌来源，在早期抑制了炎性单核细胞的表型，从而减少了纤维化重塑并改善了心肌细胞存活。未来，集成自供电压电发生器有望取代外部超声驱动，为克服当前细胞疗法的持续局限性提供有前景的解决方案。