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【再生医学前沿】ACS Nano:纳米颗粒复合的水凝胶支架助力心肌组织重建的机制

已有 326 次阅读 2020-2-12 09:13 |个人分类:再生医学前沿|系统分类:科研笔记

心脏是一个“血泵”,它通过心肌组织有节律的收缩来提供泵血的动力。心肌组织由心肌细胞和非心肌细胞(成纤维细胞,平滑肌细胞,血管内皮细胞和巨噬细胞等)组成,其中心肌细胞间的连接可以传递电信号,并触发机械收缩以推动血液的流动。而经历“心肌梗死“等疾病后,局部心肌细胞成片受损,且因其低增殖能力而不能得到新生补充。作为代偿机制的一部分,剩余心肌细胞的肥大生长和心肌纤维化导致生理功能改变和病理性心力衰竭,最终导致死亡。


目前有证据表明,人造心肌组织可以恢复天然组织的结构和功能,从而有望改变病变心脏的生理机能。要想实现恢复心肌生理功能的目标,构建心肌微环境对实现心肌细胞的生理功能起着决定性的指导作用,并对其进行工程改造,为心肌组织的再生提供了重要保障。


当前,研究人员常用混有不同类型导电纳米颗粒混合水凝胶作为构建具有优异机械完整性和改善电生理特性的组织工程心脏的研究平台,因为其电生理特性与天然的心肌组织相接近,而且机械力学性能便于调整,然而调节这些性能来调控心肌细胞行为的背后的机制,目前尚不清楚。


近期美国加州大学洛杉矶分校Ali Khademhosseini教授团队美国哈佛医学院的Su Ryon Shin教授团队合作对此进行了系统的探究,其成果“Nanoparticle-Based Hybrid Scaffolds for Deciphering the Role of Multi-Modal Cues in Cardiac Tissue Engineering”发表于ACS Nano上。


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图1 纳米颗粒混合支架的制备和微观形貌分析


研究采用甲基丙烯酸酐化水凝胶—GelMA作为基底材料,向其中混入不同类型比例的功能碳基纳米颗粒来调节GelMA水凝胶的机械,结构和电生理性能。在该研究中,他们在GelMA水凝胶中按一定的配比混入碳纳米管(CNT-),氧化石墨烯(GO-),还原氧化石墨烯(rGO-)制备出不同的混合水凝胶体系,并通过UV光交联的方式制成了相应的复合水凝胶支架,并对其进行了微观形貌以及胶内孔隙大小分布的表征(如图1所示)。从图中我们可以看出,添加纳米颗粒可以明显减小水凝胶内孔隙的尺寸,而且加入不同类型的纳米颗粒可以得到不同大小的尺寸,另外,加入CNT-和rGO-后胶块的电导率有了质的提升,他们的加入使胶块具备了一定的电生理特性,为导电水凝胶支架制备提供了可能性。


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图2 纳米颗粒混合支架的表面形貌分析


同时,组织工程支架的机械强度(杨氏模量等)对调节细胞行为形态学,增殖,分化等)具有非常重要的作用。对此,他们对添加3种不同纳米颗粒的混合水凝胶支架进行了机械力学测试,发现纳米颗粒的添加可以有效提高混合支架的力学稳定性。此外,支架的表面粗糙度(表面质量)会影响细胞在上面的黏附,故检测了添加CNT-,GO-,rGO-后对水凝胶支架的表面质量的影响,结果表明,添加CNT-后对支架的表面质量影响不大,而加了GO-和rGO-后表面粗糙度变化较大。另外由于纳米颗粒的加入,可能会改变支架表面的亲水疏水的性能,从而进一步影响细胞的吸附。


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图3 不同纳米颗粒混合支架与心肌细胞生长的兼容性分析


为了探索CNT-、GO-和rGO-GelMA对心肌细胞组织的不同影响,他们在混合水凝胶支架上培养新鲜分离的新生心肌细胞。结果发现。心肌细胞在CNT-GelMA上的细胞扩散大于在GO-GelMA上的细胞扩散,这可能是由于(1)良好的导电性,(2)天然的类似于心脏组织的局部机械性能,(3)更小的孔隙为细胞提供更多的结合位点,(4)更好的均匀性导致更低的表面粗糙度。这表明不同的混合支架可以调节心脏组织通过调制结构组织的成熟和功能仍被证明是可行的。


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图4 纳米颗粒支架对心肌细胞功能标志物表达的影响


在项研究工作中,他们还对混入功能碳基纳米颗粒的物理性质是否会对混合支架的心脏细胞性质产生不同的影响进行了验证(如图4所示)。验证结果表明,作为心肌细胞间电纳米通道的导电复合支架可以促进心脏标志物的高表达。然而,肌钙蛋白I表达的增加仅在CNT-GelMA培养的细胞中观察到,这表明孔隙大小的减小和更好的局部机械性能以及电导率可以进一步调节功能工程心脏组织的构建和成熟。


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图5 纳米颗粒的加入对心肌细胞电生理特性的影响


在证明了心肌细胞在CNT-GelMA表达高水平的心脏标记同时维持他们的生存能力之后,他们开始质疑这些发现与电生理特性有关。为了进一步研究心肌细胞在不同混合水凝胶上的电生理功能,他们评估了工程心肌组织的兴奋阈值和自发搏动频率(如图5所示)。利用自发搏动的记录来跟踪心脏成熟的进程,并分析不同基质如何保持收缩性。结果发现,CNT-GelMA支架具有维持自发搏动一周以上的能力,可能是由于它们的局部力学性质与本地组织微环境密切相似的原因。

 

本研究使用含有不同碳基纳米颗粒(碳纳米管、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯)的GelMA水凝胶,制造了混合心脏组织,同时以一种简单的方式调节物理特性,如机械、结构和电气特性。利用这些平台,我们展示了CNT-、GO-和rGO-GelMA如何不同地调节培养心肌细胞的结构和功能。特别是,我们发现,本体ECM-like nanofibrous(细胞外基质纳米纤维状的)架构更好的局部力学性能类似于本体心脏组织,使导电心肌细胞的成熟形态,促进更高水平的心脏标记,导致心脏功能的工程组织更有可能心室肌细胞表型。这项工作表明,在不同的混合支架上培养的心肌细胞对细胞外成熟诱导具有不同的敏感性,这强调了模型系统在心肌细胞表型保真度要求较高的心脏组织工程中的重要性。

 

论文链接:

https://doi.org/10.1021/acsnano.9b03050





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