基于此,南方医科大学邱小忠教授/王乐禹教授团队在《Bioactive Materials》期刊发表题目为“A cigarette filter-derived biomimetic cardiac niche for myocardial infarction repair”的研究文章。
方案1. 关于香烟过滤嘴衍生心脏贴片(CP)的制备及其对梗死心脏的修复效果的示意图
首先处理香烟过滤嘴,将其转化为纤维束材料,保留纤维束的定向性结构。然后,将壳聚糖和单宁酸(TA)以及铜离子(Cu2+)复合物加入纤维束材料中,制备具有不同表面特性的支架。SEM-EDS分析表明,支架表面的修饰是有效的,并且铜元素均匀分布在其中。此外,通过循环压缩测试评估了支架的力学性能,结果表明支架具有合适的弹性模量和抗性。电性能测试显示,支架具有与自然心肌相似的电导率,并且在TA-Cu复合物修饰后,支架的电导率显著增加。最后,将支架连接到LED上检测其对电流的影响,结果显示修饰后的支架具有压电效应,这可能更准确地模拟心肌细胞的电生理环境,适用于心脏组织工程(图1)。
图1. 不同支架的表征
使用F-actin染色显示了Cig支架相对于CF支架对细胞具有更有利的黏附和排列。接着,通过 live/dead 染色和CCK-8测定确定了Cig、Cig/TA和Cig/(TA-Cu)支架对CMs的良好生物相容性。此外,通过SEM观察了支架中CMs的形态,发现在Cig/TA和Cig/(TA-Cu)支架上的CMs扩展良好,而在Cig支架上扩展较差。最后,使用F-actin染色检查不同支架中CMs的伸长和定向情况,结果显示Cig/(TA-Cu)支架上的CMs表现出最佳的定向生长(图2)。
图2. CMs在Cig/(TA-Cu)上的生长和排列
Cig/(TA-Cu)支架能够促进CMs的成熟和细胞间连接的形成,加快心肌细胞同步钙信号传播,这表明其具有促进心肌细胞功能的潜力。研究假设Cig/(TA-Cu)支架载有心肌细胞后,促进心肌细胞的增殖和修复,改善瘢痕组织和健康心肌之间的电传导,从而促进心脏的同步跳动,可能有助于MI修复(图3)。
图3. Cig/(TA-Cu)支架对心肌细胞成熟和功能化的影响
研究表明,Cig/(TA-Cu)支架具有显著的抗氧化活性,能够有效清除自由基,包括DPPH自由基和超氧阴离子。此外,该支架还能够分解过氧化氢和抑制羟基自由基的产生,而在细胞水平上,支架能够减轻氧化应激造成的细胞损伤,降低细胞内ROS的生成。总之,该支架具有改善有害ROS微环境并促进CMs存活的潜力(图4)。
图4. Cig/(TA-Cu)支架的抗氧化能力
通过增殖实验、划痕实验和管状结构形成实验检测不同支架对血管生成的影响。结果显示,与其他组相比,Cig/(TA-Cu)组的支架具有更好的生物相容性,可以促进内皮细胞的增殖、迁移和管状结构形成。这些结果表明,Cig/(TA-Cu)支架可能通过其TA-螯合Cu2+功能化平台中的Cu2+,在促进血管生成方面发挥了重要作用(图5)。
图5. Cig/(TA-Cu)支架的体外促血管生成作用
将仿生心肌片(CPs)植入患有心肌梗死的大鼠心脏中,发现支架能够显著降低心肌损伤并减少心肌细胞凋亡。进一步的实验结果显示,植入的支架能够有效清除细胞内的氧化应激物质,并提高抗氧化酶活性,从而促进心肌细胞的恢复和心肌功能的改善。
图6. Cig/(TA-Cu) CP植入后3天对梗死心肌中ROS清除和抗凋亡作用的评估
通过检测植入不同CPs后梗死区的CX43蛋白表达水平,评估了电学整合水平。结果显示,在Cig/(TA-Cu)组中,CX43蛋白表达较多,同时与CX43蛋白共定位的α-actinin阳性心肌组织也多。这些结果表明,Cig/(TA-Cu) CP通过降低心肌细胞凋亡和促进心肌组织的存活,促进心肌梗死区的电学整合(图8)。
图7. Cig/(TA-Cu) CP植入后28天心肌梗死区电传导的重建
图8. Cig/(TA-Cu) CP在植入28天后对大鼠心肌梗死模型的修复效果
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