水凝胶在心脏生物起搏和传导研究中的应用进展*

张 喜

（海军军医大学人体解剖学教研室，上海 200433）

多年来利用干细胞、基因及生物材料进行心脏再生一直是研究的热点。自20年前第1例组织工程心肌构建成功[1]，到近来具有腔室的心脏类器官（迷你心脏）培育问世[2]，期间取得的巨大进展备受瞩目。其中，生物起搏和传导作为心脏再生医学的一个分支，近年来的研究尤为活跃。所谓生物起搏和传导，是指利用生物学相关技术手段对受损心脏传导系统进行的修复和替代，以此恢复正常的起搏或传导功能。对比于目前临床上主要使用的电子起搏，生物起搏和传导具有不受电磁干扰、可神经体液调节、无电池寿命限制及可随机体一起发育的潜能和优势。在该领域研究中，国内外学者开展了大量的工作，采用了导入起搏基因和细胞至心脏、重编程原位心肌及组织工程移植等策略探讨理想解决方案，在体内外实验中效果均得到了验证[3-4]。

在上述研究中，生物可降解材料得到了广泛和关键的应用，带动并推进了生物起搏和传导应用的研发。近期美国西北大学报道了最新研发的轻薄柔软、无导线、可降解、可吸收的临时起搏器，其所有组成部件均为无害的生物相容性材料，除了能规避传统电子起搏器一般缺陷外，尚能在使用完毕后无需手术取出，性能优势明显[5]。

总的来看，在心脏起搏和传导研究中，应用的生物可降解材料主要包括合成高分子材料、胶原海绵、水凝胶等。其中，水凝胶是应用最广泛和深入的，除了传统的药物载体、细胞载体及组织修复应用，还有其他的创新应用形式（表1）。近年来，围绕水凝胶开展的生物起搏传导研究工作进展迅速，现综述如下。

水凝胶是一类具有三维网络结构的亲水物质，在水中能保持一定形状但不被水溶解，具有较强的吸水性、保水性及凝胶稳定性。根据对外界刺激的响应情况，水凝胶可分为传统水凝胶和环境敏感水凝胶，根据性质又可分为中性水凝胶和离子型水凝胶。此外，还可根据构成来源分为天然水凝胶和合成水凝胶。天然水凝胶由天然来源的亲水性高分子构成，如纤维素、海藻酸、透明质酸、壳聚糖、胶原、聚L-赖氨酸等；
合成水凝胶由合成的亲水高分子构成，如聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇等[6]。在心脏再生医学领域，较常应用的水凝胶主要包括藻酸盐凝胶、壳聚糖凝胶、细胞外基质凝胶、自组装多肽水凝胶和纤维蛋白胶等，作为载体、基质及支架使用[7-9]。

表1 水凝胶在生物起搏传导中的应用

水凝胶在生物起搏中的应用主要体现在3个方面：一是可诱导心肌细胞的自发活性，使其具有起搏特性；
二是优化电子起搏器心肌-电极界面，通过抗炎、抗纤维化、抗传导阻滞作用提高起搏效率；
三是作为起搏细胞的支架和载体，在构建起搏组织中发挥作用。

2.1 水凝胶诱导心肌细胞的自发活性

在生物起搏研究中，较早期的研究主要是通过转染起搏基因、重编程等诱导心肌细胞产生自发活性[10]。而近期Hu等[11]的研究显示，丝蛋白水凝胶亦能够使大鼠心室肌细胞激活转化为起搏细胞，是通过诱导血管内皮细胞钙黏素糖蛋白的表达发挥这一作用。在体外，丝蛋白水凝胶诱导获得的起搏细胞表现出窦房结细胞的功能和形态特征；
在大鼠左心室内，注射丝蛋白水凝胶产生的起搏细胞可作为窦房结功能性替代物。该研究的结果提示，使用合适表面结构、力学和生化特性的生物材料，是生物心脏起搏器构建推广的较可行方案和重要方向。

2.2 水凝胶对心肌-电极界面的优化作用

目前虽然不断有起搏器低能耗及电池技术的改进，却仍然有较多患者由于电池寿命和续航问题，需要重新进行起搏器移植手术。其原因主要是起搏器电极易导致心肌组织的炎症反应，会对心肌造成损伤和纤维化，且随着损伤和纤维化的加重，须输出更强的电刺激才能维持起搏。因此，改善心肌组织与电极之间的接触界面，就可降低起搏电压阈值，从而提高起搏器工作效率，延长电池寿命。为此，Zhao等[12]测试了一种名为 PAMB-G 水凝胶生物材料，通过离体心肌实验证实其能够进行高效电传导，在传导速度、场电位振幅等方面性能优异。进一步在Langendorff心脏和在体心脏实验中显示，PAMB-G注射到心肌组织-起搏电极界面后，能够保护心肌并改善心肌-电极界面，有效降低起搏电压阈值，比单纯电极以及使用明胶修饰界面更能有效维持起搏器的工作效率。

2.3 水凝胶在起搏组织构建中的作用

水凝胶可作为起搏细胞的载体，注射入心脏中发挥作用；
亦可作为起搏细胞的支架，在体外形成起搏细胞—支架复合体，进一步培养成为起搏组织，从而移植入心脏构建起搏器。Tao等[13]将新生鼠来源的心脏细胞种植到纤维蛋白凝胶上，在体外可形成一个自发收缩的心脏组织片构建物。Zhang等[14]则利用Matrigel基质胶与心脏祖细胞来源的起搏细胞复合，在体外培养形成起搏组织，并将其移植入动物心室，证实在体内可产生功能性的异位起搏点。上述研究中利用水凝胶构建的起搏组织虽然具有自发电活性，但与宿主窦房结在功能结构上仍差别较大，如起搏频率、细胞类型及组织结构等方面。

传导阻滞是指心脏某一部位由于病损，其传导冲动发生的减慢或阻滞。如由于房室结或希氏束出现病损，在心房与心室之间会发生房室传导阻滞；
又如窦房结周围组织出现病变，则在窦房结与心房之间可发生窦房传导阻滞；
以及心肌梗塞、心肌炎及药物反应等因素，则可能在心房或心室内导致发生房内阻滞或室内阻滞。上述阻滞疾病发生后，若程度严重，则需要电子起搏器治疗。鉴于电子起搏存在的一些无法克服的缺陷，利用水凝胶开展心脏生物传导的研究进展迅速，有望为患者带来福音。目前水凝胶应用于生物传导的形式，主要是将导电介质引入到水凝胶中制备成导电水凝胶，然后利用其导电性、降解吸收性、生物相容性及力学性能，直接注射或者负载功能性细胞后注射入心脏，以达到治疗传导阻滞的目的。

3.1 引入纳米材料制成的水凝胶在心脏阻滞治疗中的应用

金属纳米材料和碳基纳米材料具备良好的导电性能，将其结合入水凝胶中，能够有效提高水凝胶的导电性能和力学性能，可应用于心脏传导阻滞治疗。Zhou等[15]将氧化石墨烯纳米颗粒引入水凝胶中，制备成名为OPF/GO的导电水凝胶，注射入心脏后，证实能够通过Wnt信号通路上调相关缝隙连接蛋白的表达，改善正常心肌与疤痕心肌之间电传导，对心梗后心功能的维持作用明显。Zyl等[16]则利用纳米纤维素碳纳米管制成导电水凝胶，并在Langendorff离体心脏经射频消融产生心肌阻滞后注射，证实所制备水凝胶能够恢复阻滞心肌的电传导。

3.2 引入有机聚合物制成的导电水凝胶在心脏阻滞治疗中的应用

明胶是一种由胶原蛋白水解而成的聚合物，由于较好的生物相容性、可降解性及安全性，在心脏再生修复研究中应用较多。但明胶水凝胶由于其力学性能较差，常需要通过共价交联或纳米复合等方式改性才能充分发挥其功效。Zhang等[17]利用过硫酸铵使3-氨基-4-甲氧基苯甲酸（AMB）发生聚合作用，形成聚合物PAMB，进一步在N-（3-二甲基氨基丙基）-N"-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺作用下与明胶发生交联，制成交联的导电水凝胶PAMB-G。PAMB-G被注射入发生心梗的大鼠心脏疤痕区组织，证实可以改善损伤区的电冲动传导、维持心室功能正常及降低心律失常的发生。Fu等[18]同样将PAMB-G注射入大鼠梗死心肌区，进一步证实了该导电水凝胶发挥心脏生物传导作用较为远期（1年）的效果，表明其长时间无毒性及维持心功能的作用。

3.3 水凝胶负载功能性细胞在心脏阻滞治疗中的应用

细胞移植对心脏传导阻滞的治疗，是一个十分有潜力的策略。但细胞导入心脏后容易发生迁移和弥散，而难以发挥功能。因此，常使用水凝胶来负载功能性细胞，解决细胞移植中较难驻留在病损区的问题。Choi等[19]将骨骼肌细胞负载在Matrigel基质胶中，植入心脏房室交界区心外膜下，证实该细胞—基质胶复合体可以沟通心房和心室之间的电冲动传导，提示其治疗房室传导阻滞的应用潜力。Zhu等[19]则制备了一种甲基丙烯酸明胶基导电水凝胶，作为发送脐带间充质干细胞的载体治疗心梗，结果显示该水凝胶具有类似在体心肌的传导特性，对植入的间充质干细胞扩增存活作用明显，并能上调其心功能分子的表达，起到了降低梗死面积和改善传导的治疗作用。

水凝胶在生物起搏和传导治疗中的应用效果，虽然已被大量研究证实，但仍有许多问题有待于进一步研究解决。如水凝胶注射中的量效、次效及期效，采用射频消融和急性缺血制作的动物模型与人体退行性病变的差异，诱导移植细胞及在体心肌组织重塑的分子机制，生物起搏节律较慢及生物传导速度调控等问题。总的来说，水凝胶介导的生物起搏和传导，已展现出较大的应用潜力，将来有望成为心律失常疾病治疗的理想解决方案。