三、丝胶蛋白在心肌修复中的应用

缺血性心脏病是我国乃至全球范围内人口死亡的首要原因，2012年全世界约740万人死于缺血性心脏病，占全球人口死亡总数的13.2%。近年来，急性心肌梗死等缺血性心脏病的研究和治疗方面取得了较多进展，但其发病率与死亡率仍居高不下，形势严峻，因此亟需研发有效的治疗方法。

（一）心肌的结构和功能

心肌由单个心肌细胞的分支网络构成，并通过单个心肌纤维在电生理和机械生理方面相互联系作为一个单元发挥功能。按形态功能不同可将心肌细胞分为①工作心肌细胞，包括心室心房中有收缩功能的心肌细胞；②传导系统心肌细胞，包括起搏细胞、浦肯野纤维等心肌自律性细胞；③具有分泌肽类激素的分泌性心肌细胞，主要分布在心房中。与骨骼肌结构基本相似，二者都是横纹肌，但心肌与骨骼肌的功能特征不同，如心肌具有节律性收缩功能，且耐疲劳性强。

心肌在形态结构功能上有以下特征：

1.微细结构

正常成人的心肌细胞呈短柱状，含1～2个细胞核，且细胞核多位于细胞中央。心肌的肌原纤维不如骨骼肌那样规则明显，肌丝被少量肌浆和大量纵行排列的线粒体分隔成粗细不等的肌丝束，故心肌横纹不如骨骼肌明显。心室肌细胞肌内膜内陷形成T小管，而心房肌细胞仅有少量或没有T小管，且心肌的T小管位于Z线水平。心肌细胞的肌浆网缠绕在肌原纤维周围，可不完整，其功能与骨骼肌肌浆网一样，可储存、释放和再摄取钙离子。心肌肌浆网较稀疏，其末端仅在T小管的一侧形成终池，其与肌浆网的连接只形成二联体，而骨骼肌的则是三联体。相邻两心肌细胞分支处伸出的短突相互嵌合形成闰盘，位于Z线水平。

2.血液供应

心肌的血供来源于冠状动脉，每个心肌细胞与毛细血管距离不超过8μm，且心肌膜的灌流量很大，约为肝脏的5倍、静息期骨骼肌的15倍。心肌膜内的血管沿结缔组织聚合体走行，并在心内膜内广泛分支形成丰富的吻合脉管丛。由于心肌对氧的需求量很高，因此心肌对缺血引起的损伤非常敏感。

3.心肌电生理学特性

心肌组织具有兴奋性、自动节律性、传导性。心肌组织在受到刺激后产生动作电位，并将动作电位传递到相邻心肌细胞。工作心肌细胞接受心脏传导系统的电冲动产生兴奋-收缩耦联，心肌细胞的特殊结构保证了整个心房肌或心室肌作为一个整体发生收缩或舒张，以完成泵血功能。

（二）心肌梗死后修复的细胞和分子机制

心肌梗死后修复涉及三个重叠阶段：炎症期、增殖期和成熟期。以啮齿类动物为例，急性心肌梗死发生后，组织缺氧诱导心肌细胞大量死亡，释放细胞内容物并触发急性炎症。在炎症期（心肌梗死后0～4天），由于活性氧大量产生、补体激活，首先诱导中性粒细胞的浸润，同时中性粒细胞可以释放趋化因子并诱导受损部位单核细胞及巨噬细胞的聚集。二者共同发挥吞噬作用以清除坏死的细胞及基质碎片。在增殖期（心肌梗死后0～3/4周），上调的转化生长因子-β（transforming growth factorβ，TGF-β）和白细胞介素-10（interleukin-10，IL-10）抑制炎症反应，同时上调的血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）募集内皮祖细胞促进血管化。成纤维祖细胞在 TGF-β和CCL2（C-C motif chemokine ligand 2，C-C 基序趋化因子配体2）的刺激下激活并分化为肌成纤维细胞，活化的肌成纤维细胞产生细胞外基质蛋白，与广泛的微血管网络形成高度血管化的肉芽组织。在成熟期（心肌梗死后2/3～4/6周），大量修复性细胞发生凋亡，形成基于胶原纤维为主的致密瘢痕组织。

（三）心肌组织工程概述

缺血性心脏病、风湿性心脏病等多种原因所致心肌损伤的共同特点，是具有收缩功能的心肌细胞数量相对或绝对减少，受损心肌细胞由无收缩功能的纤维瘢痕组织取代，未受损的心肌细胞代偿性肥大，部分代偿失去的心肌功能，最终发展成心力衰竭。因此，促进有收缩功能的心肌细胞再生，将是有效地治疗心肌损伤的关键。综合现有的临床治疗策略，传统的内科药物、介入和外科手术治疗并不能实现心肌再生，因此难以从根本上治愈心肌损伤、修复心脏功能。缺血性心脏病一旦发展到心力衰竭终末期，心脏移植是目前挽救生命的唯一方法。但因供体来源有限、移植排斥反应、治疗费用高昂等方面的限制，心脏移植难以普遍开展。随着再生医学与组织工程技术的发展，心肌组织工程为解决这一难题提供了新的思路。

在心肌再生修复中，生物支架材料起到非常重要的作用：一方面能为治疗性的生长因子提供良好的缓释载体，并提高其生物活性及半衰期；另一方面为种子细胞（如已进入临床试验阶段的骨髓来源干细胞、心肌祖细胞、脂肪来源干细胞及成肌细胞）提供类细胞外基质的微环境，使其免受损伤心肌梗死局部恶劣微环境的影响，从而提高细胞存活率和移植率，最终有效定植于心肌层以重建富含功能性的、可同步跳动的心肌组织。由于大多数生物支架直接影响生物体，其特性对受损组织结构和功能恢复至关重要，因此应从营养物质和代谢产物的运输，生物活性分子或药物的递送，材料的降解速率、可识别的表面分子、生物相容性以及机械性能等多方面综合评价生物材料的作用及价值。

心肌组织工程的目的在于构建具有生理功能的心肌组织以替代并修复受损的心肌。使植入的构建体尽快与受体组织进行血流互通，并与残存心肌之间建立兴奋收缩耦联，是心肌组织工程的难点。由于心肌组织结构功能的特殊性，组织工程中使用的生物支架需满足以下几个要求：①生物材料应易获取，具有高生物相容性、低免疫原性，并且可以为细胞增殖和分化提供安全的环境，以便分化成具有功能性的心肌细胞。②心肌修复的理想生物材料应可降解，组织相容性好，不引起或仅引起微弱的免疫反应，并可为损伤的心脏提供机械和功能支持。③机械性能方面，应具有足够弹性以匹配心肌收缩和舒张。④合适的降解速率，使得降解速率与组织新生速率保持一致。⑤合适的孔隙率，以便氧气和营养物质的交换扩散并有利于新生组织的血管化。因此，理想的组织工程生物支架或组织工程化的心肌应具有良好的弹性模量、机械强度和稳定性，从而保证血管化或在植入后迅速形成血管，并不引起免疫排斥反应。

随着心肌组织工程的发展，目前已有多种生物材料应用于心肌再生修复，如海藻酸盐、胶原蛋白、纤维蛋白、壳聚糖、自组装肽、脱细胞材料以及人工合成聚合物水凝胶。这些生物材料通常被制成可注射的形式，如可注射水凝胶，再以微创技术递送至梗死心肌病灶。即便在未联合种子细胞和治疗性分子的情况下，这些水凝胶在临床前研究中也具有一定促进心功能恢复的效果。然而，这些生物材料也都存在一些缺陷，如海藻酸盐不能维持细胞黏附，壳聚糖在中性溶液中溶解度和细胞黏附性不足，基质胶来源于小鼠肿瘤所以具有诱导肿瘤发生的风险；这些生物材料的局限性也提示了仍需继续研发性能更好的生物材料应用于心肌的创伤修复。

（四）丝胶蛋白在心肌组织工程中的应用

丝胶蛋白具有良好的生物活性，如生物可降解性、低免疫原性、细胞黏附性等，近年来受到越来越多研究者们的关注。王琳教授课题组研发了一种可注射型丝胶水凝胶并在体内成功应用于缺血性心肌梗死的治疗。

该课题组通过系统的体外体内实验，探索并揭示了丝胶蛋白心肌保护作用的三种机制：①抗炎：丝胶蛋白能明显抑制促炎性细胞因子的表达却不影响抑炎性细胞因子；②抗凋亡：丝胶蛋白具有抑制心肌细胞和内皮细胞凋亡的能力；③促血管生成：丝胶蛋白在体外能促进内皮细胞的血管化，并促进血管内皮生长因子的表达。该丝胶水凝胶心肌注射6周之后在小鼠心肌梗死模型中产生了良好的治疗效果，主要体现在：①丝胶水凝胶能减少左心室梗死面积和瘢痕组织的形成，促进心肌梗死后心功能的恢复；②丝胶水凝胶能抑制心肌梗死诱导的炎症反应，主要通过抑制炎性细胞因子的表达和炎症细胞的浸润；③丝胶水凝胶能促进新血管的生成并有效减少细胞凋亡（图10-4）。

由于心肌梗死通常导致受损组织产生严重炎症反应、导致心肌缺血缺氧、造成恶劣的微环境，移植的细胞或组织工程化心肌组织往往难以存活，以致组织工程修复策略难以发挥其应有的治疗效果。王琳教授课题组研发了可注射型丝胶水凝胶作为心肌细胞的良好载体，能显著减少细胞凋亡并促进新生血管生成，同时能有效减少梗死面积以及瘢痕组织的形成，从而达到心肌结构和功能的恢复，显著提高了组织工程修复效率，为心肌修复提供了新方法。