文献解读：生物活性硅酸镁通过激活心肌能量代谢修复梗死心肌

图1：文章概要图

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RNA测序
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结果分析调控及其对补片力学性能的影响
共合成三种不同形貌的MS纳米颗粒，即不规则颗粒（IR）、纳米球（NS）和纳米管（NT）（图2）。将三种MS纳米颗粒分别与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）复合制备生物墨水后，流变学测试显示所有生物墨水均具有优异的温敏性和剪切稀化特性，适合挤出式3D打印。离子释放曲线表明，在4%浓度下，4IR-GelMA生物墨水释放的镁离子和硅离子浓度远高于其他两组，这可能归因于IR独特的蓬松片层结构使其具有更大的比表面积。在培养过程中，所有含MS补片的储能模量（G'）下降趋势均被抑制，其中含NT的补片表现出最高的G'。通过计算模拟进一步发现，不同形貌MS与GelMA基质的相互作用机制不同：弹性模量计算值呈现GelMA＜IR-GelMA＜NS-GelMA＜NT-GelMA，表明MS的纳米管形貌因其更有效的应力分布和载荷传递能力，对复合材料力学性能的增强效果最为显著（图3）。

图2：三种形貌MS材料合成


 

图3：不同形貌MS生物墨水的表征与理论计算

2. MS促进3D生物打印心肌补片心肌成熟与同步收缩功能
我们进一步制备了含2%和4%三种形貌MS的七种心肌补片并评估其体外效应。结果显示，含2% MS的补片显著促进心肌细胞铺展和CX-43表达，效果排序为NT > NS > IR。基因表达分析同样证实NT组表达最高、NS次之、IR最低。表明MS的浓度和形貌调控补片生理功能，以2%添加量及纳米管形貌效果最优（图4）。

图4：3D生物打印心肌补片体外功能化检测

3. MS形貌依赖的线粒体靶向效应对心肌能量代谢的调控作用
通过透射电镜观察发现，三种形貌的MS纳米颗粒均可被心肌细胞摄取，并均富集于线粒体附近，其中纳米管（NT）更易靠近甚至分布在线粒体上。免疫荧光共定位分析进一步证实，不规则颗粒（IR）和NT可进入线粒体内，而纳米球（NS）主要分布在线粒体周围，且NT与线粒体的共定位程度最高（图5）。ATP检测结果显示，2NT-GelMA组的ATP产生水平最高。转录组测序分析表明，与2IR-GelMA组相比，2NT-GelMA组有161个上调差异基因，富集于氧转运与结合、ATP结合、GTP酶结合等能量代谢相关通路；与2NS-GelMA组相比，2NT-GelMA组有155个上调差异基因，富集于GTP酶结合、Rab GTP酶结合、磷酸酶活性等能量代谢相关通路（图6）。上述结果表明，MS纳米颗粒的形貌通过调控其线粒体靶向效应，进而影响心肌细胞的能量代谢，其中纳米管形貌的促进效果最为显著。

图5：MS纳米颗粒与线粒体的共定位
 

图6：基因组RNA测序结果显示心肌补片激活能量代谢

4. MS纳米管基心肌补片促进小型猪梗死心肌修复

基于体外及大鼠体内实验中NT形貌硅酸镁表现出最优的促心肌修复效果，本研究进一步选择含2% NT的心肌补片在小型猪心梗模型中验证其修复功能。术后4周结果显示，2NT-GelMA组心室壁最厚、梗死面积最小，局部场电位幅度显著增强，射血分数（EF）和缩短分数（FS）明显提高（图7）。免疫荧光染色表明，该组梗死区域α-actinin和CX-43表达更高，新生血管更密集，且人源心肌细胞可迁移至宿主组织实现良好整合（图8）。以上结果验证了含NT形貌硅酸镁的3D生物打印心机补片在大型动物模型中的心肌修复效果。

图7：基于MS纳米管的心肌补片对小型猪体内的修复效果


图8：小型猪梗死区域组织学评估

结论
本研究开发的基于形貌可调硅酸镁纳米颗粒的生物能量激活型生物墨水，通过调控心肌细胞ATP产生及能量代谢，系统性增强了3D生物打印心肌补片的体外生理功能和体内修复效果，其中纳米管形貌在小型猪模型中显著促进了心肌修复和心功能恢复。该策略为生物能量激活型无机生物材料的设计提供了新思路，有望推动心力衰竭及复杂组织损伤的临床再生治疗。

相关工作以“Bioactive Magnesium Silicate Activating Myocardial Energy Metabolism for Infarcted Myocardium Repair”为题，发表在《Exploration》期刊上。中国科学院大学上海硅酸盐研究所廖志彬博士与秦宸博士后为论文共同第一作者，中国科学院大学上海硅酸盐研究所吴成铁研究员与广州医科大学王乐禹教授为本文通讯作者。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/exp2.70161