心肌梗死是一種常見的心血管疾病，目前的臨床治療方法在修復(fù)受損心肌組織方面效果有限。神經(jīng)調(diào)節(jié)策略為心肌修復(fù)提供了新的思路，但現(xiàn)有方法如迷走神經(jīng)刺激和藥理激活面臨著刺激信號控制和藥物副作用等挑戰(zhàn)。近日，來自中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的吳成鐵團隊開發(fā)了一種基于無機生物材料誘導(dǎo)的“預(yù)神經(jīng)化”支架，以促進心肌梗死的修復(fù)。該支架不僅能促進神經(jīng)干細胞分化為成熟神經(jīng)元，還能通過神經(jīng)調(diào)節(jié)作用增強心肌細胞的成熟和同步收縮，最終促進心肌組織的修復(fù)和心臟功能的恢復(fù)。相關(guān)研究成果以“Inorganic Biomaterials Inducing Scaffolds Pre-Neuralization for Infarcted Myocardium Repair”為題于2025年5月24日發(fā)表在《Advanced Materials》上。
 

1.3D打印含SS支架的制備與表征
       作者首先描述了含鍶硅酸鹽（SS）微粒的3D打印支架的制備和表征過程。SEM觀察到SS微粒呈現(xiàn)六方柱狀形態(tài)（圖1a），XRD確認其相與SrSiO3匹配（圖1b）。將不同濃度的SS微粒（0%、2%、5%、10%）與明膠甲基丙烯酰基（GelMA）基質(zhì)混合，制備出一系列生物墨水，并利用流變學(xué)分析發(fā)現(xiàn)這些生物墨水在溫度敏感性、剪切變稀性能和屈服應(yīng)力方面沒有顯著差異。隨后，通過3D生物打印機將這些生物墨水打印成網(wǎng)格狀支架（圖1c），SEM圖像顯示了支架的多孔結(jié)構(gòu)，且SS微粒在GelMA基質(zhì)中分布均勻（圖1d和圖1e）。此外，作者還測定了不同濃度SS微粒的支架在培養(yǎng)14天內(nèi)的Sr和Si離子釋放情況（圖1f和圖1g），發(fā)現(xiàn)含2%和5% SS微粒的支架在培養(yǎng)7天后離子釋放基本穩(wěn)定。
 

2.體外的預(yù)神經(jīng)化行為
作者接著，作者探究了含鍶硅酸鹽（SS）微粒的3D支架在體外的預(yù)神經(jīng)化行為。含SS微粒的支架（2%至10%濃度）對NSCs活性無明顯毒性，并且促進了NSCs的增殖，尤其是5SS-GelMA-NSC組表現(xiàn)出最高的增殖活性（圖2a-b）。5SS-GelMA-NSC支架在培養(yǎng)7天后顯著促進了NSCs向神經(jīng)元的分化，同時降低了膠質(zhì)細胞標記物GFAP的表達。隨著培養(yǎng)時間延長至10天和14天，神經(jīng)相關(guān)基因的表達有所下降，但GFAP表達增加，表明7天是理想的預(yù)神經(jīng)化時間（圖2c, 圖2d-f）。RT-qPCR結(jié)果顯示，5SS-GelMA-NSC支架在培養(yǎng)7天后，與神經(jīng)元分化相關(guān)的基因（如Tuj1和MAP2）表達顯著高于對照組，而膠質(zhì)細胞相關(guān)基因（GFAP）表達較低（圖2c）。免疫熒光染色直觀地顯示了5SS-GelMA-NSC組中Tuj1+神經(jīng)元的比例高于對照組（圖2g-i）。
 

3.神經(jīng)化潛在機制探索
接著，作者探討了鍶硅酸鹽（SS）微粒對神經(jīng)干細胞（NSCs）預(yù)神經(jīng)化效應(yīng)的潛在機制。對在5SS-GelMA-NSC支架和對照組GelMA-NSC支架中培養(yǎng)7天的NSCs進行了轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，5SS-GelMA-NSC組中有322個基因上調(diào)，123個基因下調(diào)。基因本體（GO）分析顯示上調(diào)基因主要與髓鞘和軸突相關(guān)，京都基因與基因組百科全書（KEGG）分析揭示了兩組在鞘脂代謝和軸突引導(dǎo)方面存在顯著差異（圖3a-b）。此外，還通過將NSCs與不同濃度的SS微粒提取液共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)500 μg mL⁻¹的SS提取液對NSCs具有毒性，而125 μg mL⁻¹的SS提取液（SS-125）能顯著促進NSCs向神經(jīng)元分化和成熟（圖3c–f，圖3g–i）。這表明SS微粒釋放的Sr和Si離子是促進NSCs預(yù)神經(jīng)化的重要因素。
 

4.預(yù)神經(jīng)化支架對體外心肌構(gòu)建體的影響
接著，作者進一步分析了預(yù)神經(jīng)化支架對體外心肌構(gòu)建體（CMS）的影響。通過3D打印技術(shù)制備了含心肌細胞的支架（CMS），并與預(yù)神經(jīng)化支架共培養(yǎng)，評估了預(yù)神經(jīng)化支架對心肌細胞結(jié)構(gòu)和功能的促進作用。與單獨培養(yǎng)的CMS相比，與5SS-GelMA-NSC預(yù)神經(jīng)化支架共培養(yǎng)的CMS（CMS-co-5SS-NSCS）展現(xiàn)出最強的收縮行為（圖4a）。CMS-co-5SS-NSCS組顯示出良好的鈣信號同步性，表明心肌細胞之間的電信號傳遞更為協(xié)調(diào)。免疫熒光染色顯示CMS-co-5SS-NSCS組中Cx43表達水平較高，解釋了心肌細胞收縮的良好同步性（圖4b-c）。同時，α-actinin的廣泛分布和明顯的肌節(jié)形態(tài)表明心肌較為成熟。CMS-co-5SS-NSCS組中與縫隙連接相關(guān)的Gja1（Cx43）、鈣信號調(diào)節(jié)相關(guān)的Cacna1a以及心肌收縮相關(guān)參數(shù)Myh6/Myh7的表達水平較高，顯示出心肌細胞的成熟度（圖4d–f）。綜上，預(yù)神經(jīng)化支架在體外對心肌修復(fù)具有良好的促進作用。
 

5.預(yù)神經(jīng)化支架對心肌梗死（MI）大鼠模型心功能重建的影響
最后，作者分析了預(yù)神經(jīng)化支架對心肌梗死（MI）大鼠模型心功能重建的影響。將預(yù)神經(jīng)化支架（5SS-GelMA-NSC組）和對照支架（GelMA-NSC組）分別移植到MI大鼠的心臟表面，通過超聲心動圖評估心臟功能。結(jié)果顯示，與未移植支架的MI組相比，移植預(yù)神經(jīng)化支架的大鼠在術(shù)后4周的心臟收縮力顯著提高，左心室縮短分數(shù)（FS）和射血分數(shù)（EF）均有所改善，而左心室內(nèi)徑收縮末期（LVIDs）和舒張末期（LVIDd）的長度則有所減小（圖5a-b）。與GelMA-NSC組相比，5SS-GelMA-NSC組的大鼠在這些心臟功能參數(shù)上表現(xiàn)出更顯著的恢復(fù)（圖5c-d）。上述結(jié)果表明預(yù)神經(jīng)化支架能夠有效促進心肌梗死后的功能恢復(fù)。
 

6.預(yù)神經(jīng)化支架在體內(nèi)對心肌損傷的修復(fù)效果
將預(yù)神經(jīng)化支架移植到心肌梗死（MI）大鼠模型的心臟表面，通過多種組織學(xué)和免疫熒光染色方法對心肌組織進行分析。Masson三色染色顯示，預(yù)神經(jīng)化支架組的大鼠心肌梗死區(qū)域比例最低，左心室壁厚度最高（圖6a-c），表明該支架有助于心室重塑。小麥胚凝集素（WGA）染色顯示，預(yù)神經(jīng)化支架顯著減輕了心肌細胞的代償性肥大（圖6d-e）。免疫熒光染色結(jié)果顯示，預(yù)神經(jīng)化支架增加了心肌組織中縫隙連接蛋白Cx43和肌節(jié)蛋白α-actinin的表達，并促進了血管再生，表現(xiàn)為微血管（vWF+）和動脈（vWF+/α-SMA+）密度的增加（圖6f-k）。這些結(jié)果表明，預(yù)神經(jīng)化支架在體內(nèi)能有效修復(fù)梗死心肌，改善心室重塑，促進心肌組織再生和血管再生。
 

最后，作者研究了預(yù)神經(jīng)化支架修復(fù)心肌梗死（MI）的潛在機制。作者對MI組、GelMA-NSC組和5SS-GelMA-NSC組大鼠的心肌組織進行了轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)5SS-GelMA-NSC組與GelMA-NSC組及MI組相比，差異表達基因（DEGs）顯著增加。基因本體（GO）和京都基因與基因組百科全書（KEGG）分析顯示，這些基因主要與生物鐘相關(guān)（圖7a-b）。進一步分析發(fā)現(xiàn)，5SS-GelMA-NSC組中Per2、Per1、Usp2和Ciart這四個生物鐘基因的表達水平顯著高于其他兩組（圖7c）。實時定量聚合酶鏈反應(yīng)（RT-qPCR）和免疫熒光染色結(jié)果也證實了這些基因在5SS-GelMA-NSC組中的高表達（圖7d–g, 圖7h–i）。這些基因在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)、抑制心肌損傷和促進血管再生方面具有重要作用，從而加速心肌梗死的修復(fù)。
 

     綜上，本文開發(fā)了一種基于鍶硅酸鹽（SrSiO₃）微粒的預(yù)神經(jīng)化支架，該支架可有效地促進神經(jīng)干細胞分化為成熟神經(jīng)元，并通過激活心肌組織中與生物鐘相關(guān)的基因（如Per2、Per1、Usp2和Ciart），顯著增強了心肌梗死后的心肌修復(fù)和心臟功能恢復(fù)。這一創(chuàng)新策略不僅改善了心肌細胞的成熟和同步收縮，還促進了心肌組織的再生和血管重建，為心肌梗死的治療提供了新的視角和潛在的臨床應(yīng)用前景。

參考資料：
https://doi.org/10.1002/adma.202419765

(責(zé)任編輯：admin)

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