彭慧勝&李毅剛Adv.Mater：高度取向性碳納米管薄膜引導心肌細胞取向生長并降低心肌組織的電生理異質性研究

【背景介紹】

心肌梗死是由冠狀動脈持續性閉塞引起的，造成下游心肌缺血壞死。壞死的心肌細胞逐漸被纖維瘢痕組織取代，導致心室結構重構和電重構，最終發生梗死后心力衰竭。纖維瘢痕組織不具有正常心肌組織的電緊張擴布能力，使心肌的電生理特性出現異質性分布，如心肌復極異常和傳導速度的不均一。電生理異質性是心律失常發生的重要基質，隨著病情發展常常導致致命的惡性心律失常，甚至猝死。盡管目前有一些優化的治療策略，如早期再灌注和積極的藥物治療，梗死后心力衰竭和惡性心律失常仍然是難以避免的臨床挑戰。利用新型納米材料作為細胞體外培育骨架的心臟組織工程技術，被認為是一種很有應用前景的修復受損心肌的方法。然而，心肌細胞體外培育尚難以完全模擬天然心肌的取向分層結構，及實現電信號的快速傳導和心肌同步收縮。

【成果簡介】

近日，復旦大學彭慧勝教授、上海交通大學醫學院附屬新華醫院李毅剛教授（共同通訊）科研團隊合作研究了高度取向性碳納米管薄膜（SA-CNTs）在培養心肌細胞，模擬天然心肌的排列結構和電脈沖傳導行為中的作用。SA-CNTs不僅可誘導體外培養的心肌細胞取向生長，而且還提供了一種高效的細胞外電信號傳遞通路，以實現心肌細胞的同步收縮。此外，SA-CNTs能降低單個心肌細胞不同搏動之間以及不同心肌細胞間的復極離散度，這對工程化心肌組織的正常搏動節律至關重要，顯示出減少心肌梗死相關心律失常發生的潛力。最后，該研究制備了基于取向碳納米管薄膜的單片式柔性電極，并演示了其多點同步起搏功能。相關成果以題為“Superaligned Carbon Nanotubes Guide Oriented Cell Growth and Promote Electrophysiological Homogeneity for Synthetic Cardiac Tissues”發表在Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 通過SA-CNTs模擬天然心肌結構

a）淺層，中層和深層心肌具有不同方向的取向結構

b）柔性的三層SA-CNTs薄膜

c）SA-CNTs表面SEM圖像

d）SA-CNTs引導心肌細胞生長并提供電信號傳輸通路示意圖

e）熱重分析顯示SA-CNTs中金屬催化劑殘留非常少

f）SA-CNTs上生長的心肌細胞凋亡評估

g）SA-CNTs對比細胞培養專用玻璃片，心肌細胞凋亡情況對比

圖2 通過SA-CNTs培育的心肌細胞的同步收縮行為及其電生理特征

a，c）體外培養4天后在玻璃片（a）和SA-CNTs（c）上的心肌細胞光學顯微鏡照片

b，d）選取玻璃片上三個互相孤立的細胞簇，記錄其自發收縮情況，呈現出節律紊亂和非同步性（b），選取SA-CNTs上三個互相孤立的細胞簇，記錄其自發收縮情況，呈現出規律的同步收縮（d）

圖3 基于SA-CNTs的柔性單片式電極可用于心臟再同步治療

a）SA-CNTs上培養的互相孤立的心肌細胞細胞簇示意圖

b）通過SA-CNTs對a）中的心肌細胞簇實施同步起搏

c）體外模擬基于SA-CNTs的單片式電極多點同步起搏功能，對三個離體乳鼠心臟實施同步起搏。對比高導電材料ITO玻璃，后者因為發生短路導致同步起搏失敗。

【小結】

該研究表明SA-CNTs可以有效地引導體外培育心肌細胞的取向性生長，為其提供有效的信號傳導通路，同時在電刺激的輔助作用下，可增加相鄰心肌細胞間連接蛋白CX43的表達，改善細胞間的信號傳導，實現SA-CNTs上心肌細胞的同步收縮。此外，SA-CNTs能降低單個心肌細胞不同搏動之間和不同細胞間的復極離散度，顯示出減少心肌梗死相關心律失常的潛力。最后演示了SA-CNTs單片式柔性電極的多點同步起搏功能。這些結果表明基于SA-CNTs的心臟補片在梗死后心肌修復，尤其是在伴隨心力衰竭患者的再同步化治療中具有良好的應用前景。

文獻鏈接：Superaligned Carbon Nanotubes Guide Oriented Cell Growth and Promote Electrophysiological Homogeneity for Synthetic Cardiac Tissues?（Adv.Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201702713）

本文由材料人生物材料組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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