Theranostics︱梁高林/张野团队合作通过MMP-9介导自组装纳米纤维，为心肌缺血再灌注损伤治疗提供可静脉注射药物载体
责编︱王思珍，方以一
编辑︱杨彬薇
对于心肌缺血再灌注（Myocardial Ischemia Reperfusion，MI/R）患者，目前治疗手段日益成熟，其中包括：经皮冠状动脉介入治疗(PCI)和外科冠脉搭桥治疗(CABG)等，能够有效再通阻塞血管，大幅降低其急性期的死亡率。然而仍有不少患者在经过治疗后进展为慢性心功能不全，甚至因为再灌注加重缺血心肌损伤，导致5年内生存率为30-70%[1]。这主要是因为MI/R后患者的心肌再生能力有限，常发生不同程度的心室重塑，包括心肌肥厚、间质纤维化、心腔容积变大、变形和舒缩功能降低，甚至造成不可逆性心功能损害，随着这些恶性循环的开始，逐渐发展为慢性心功能不全及心力衰竭[2]。
目前，针对MI/R后缺血心室肌治疗的基础研究中，如干细胞[3]、生长因子[4、5]、外泌体[6]和小干扰核糖核酸(siRNA)[7]等，都已被证明可以增强心脏修复和改善心脏功能。但是在药物递送方面仍缺乏有效的载体，目前研究主要集中在载药水凝胶心肌注射，并且已经进入临床前期研究。然而，由于心肌缺血后，患者心肌薄弱、不稳定，使得心肌注射具心脏破裂、心包压塞等较高风险，临床应用范围较窄。
近期，安徽医科大学第二附属医院麻醉与围术期医学科张野教授团队与东南大学生物科学与医学工程学院梁高林教授课题组合作在Theranostics上发表了题为“MMP 9-instructed assembly of bFGF nanofibers in ischemic myocardium to promote heart repair”的研究论文。该研究设计了一种能够静脉注射载药胶束，在缺血心肌内由高表达MMP-9介导下共组装形成纳米纤维装载bFGF，通过缓慢释放bFGF促进缺血心肌修复。这也为治疗MI/R损伤静脉药物载体设计提供了一个良好的策略。
作者首先设计了一种结构为Lys-Lys-Pro-Leu-Gly-Leu-Ala-Gly-Phe-Phe (K2)的多肽，在体外证实能被MMP-9裂解为两亲性产物（Leu-Ala-Gly-Phe-Phe）LAGFF（图1A）。K2本身通过其两亲平衡的特点可在体外形成胶束，且多肽K2能够通过静电吸附及疏水核包裹bFGF形成bFGF@K2胶束（图1B）。bFGF@K2胶束通过尾静脉注射到MI/R大鼠后，沿循环至缺血心肌处由高表达MMP-9裂解并自组装形成装载bFGF@Nanofiber。bFGF@Nanofiber能够通过缓慢释放bFGF促进血管再生和抑制细胞凋亡来促进缺血心肌修复（图1C）。
图1 bFGF@K2胶束体外合成及体内验证
（图源：Yaguang Wang, et al., Theranostics, 2022）
在体外实验中，作者以K2胶束为基础，在加入MMP-9 24小时后发现孵育液由液体转变为不透明的水凝胶(图2A)。而在K2胶束包裹bFGF后，与MMP-9孵育24小时也能转变为不透明的水凝胶（图2B）。这表明bFGF@K2胶束在MMP-9酶切过后仍然能装载bFGF。以上结果表明，MMP-9能够触发胶束向纳米纤维的转变，同时对bFGF进行装载。
图2 MMP-9引发包封bFGF多肽纳米结构的形态转变
（图源：Yaguang Wang, et al., Theranostics, 2022）
为了验证bFGF@K2胶束是否能延长bFGF的滞留率，作者将TMR标记到bFGF上，并将TMR-bFGF@K2胶束通过静脉注射到MI/R模型大鼠体内，通过荧光显微镜（图3A）以及蛋白检测（图3B）观察到bFGF的在缺血心肌内的滞留率明显提高。并且通过透射电镜微观验证了纳米纤维在缺血心肌处的形成（图3C）。这些进一步证实此bFGF@K2胶束能够靶向梗死心肌并提高缺血心肌处的滞留效率。
图3 bFGF@K2胶束在缺血心肌内静脉注射后的滞留情况
（图源：Yaguang Wang, et al., Theranostics, 2022）
在建立大鼠MI/R模型后，在相应时间点进行治疗并进行相关验证（图4A）。通过观察各组大鼠MI/R后28天的超声心动图，发现bFGF@K2胶束组与盐水组相比，心功能得到明显改善。
图4 bFGF@K2胶束对远期心功能的影响
（图源：Yaguang Wang, et al., Theranostics, 2022）
在最后，作者在28天后对MI/R模型大鼠心肌组织进行了Masson染色，与盐水组相比，治疗组缺血心肌的瘢痕面积以及胶原纤维明显减少，也进一步证实bFGF@K2胶束改善不良心室肌重构的作用（图5A-C）。
图5 bFGF@K2胶束参与心室重塑，可减轻心肌纤维化
（图源：Yaguang Wang, et al., Theranostics, 2022）
文章结论与讨论，启发与展望综上所述，作者构建了一种与能够形成胶束并对bFGF进行装载的生物相容性前体肽K2。体外实验结果表明，在MMP-9裂解下，能够将胶束结构转化为bFGF@Nanofiber。并且在体内实验中，bFGF@K2胶束能有效的在MI/R大鼠缺血心肌内形成bFGF@Nanofiber，显著增加bFGF的滞留效率。进一步的体内研究表明，bFGF@K2胶束比游离bFGF改善MI/R模型大鼠的心脏功能以及减轻心室肌重构作用更明显。本研究利用缺血心肌EPR效应以及基于MMP-9的EISA策略，“巧妙”地将bFGF@K2胶束在缺血心肌处转化为bFGF@Nanofiber，并通过缓慢释放bFGF，有效促进MI/R大鼠心脏修复。该研究提出了一种新的治疗心肌缺血再灌注损伤静脉递送载体策略。
尽管在取得了一定成效，但针对心肌缺血再灌注损伤的治疗，有效恢复缺血心肌微循环，保护心肌仍是一重要难题，需进一步探索。
原文链接：https://www.thno.org/v12p7237.htm
该论文通讯作者是安徽医科大学第二附属医院麻醉与围术期医学科张野教授与东南大学生物科学与医学工程学院梁高林教授。博士后王亚光、硕士研究生王蒂与博士研究生吴超为该论文的共同第一作者。课题得到了国家自然科学基金项目（21725505、81970231）、中国博士后科研基金项目(2021M700182)和安徽省博士后科研基金项目(2021B490)的资助。
张野教授主任医师博士生导师博士后导师，现任安徽医科大学第二附属医院副院长、安徽省医师协会麻醉学分会主任委员。长期致力于围术期心肌保护研究，主持和参与科研课题15项（包括4项国家自然基金），主编参编学术专著15部，发表论文200余篇，其中SCI源期刊60余篇，国家级核心杂志100余篇。先后获安徽省科技进步“二等奖”1项，“三等奖”3项。安徽省卫计委领军人才（2015），安徽省学术技术带头人（2010），安徽省卫生厅梯队人才（第一层次 2008），安徽医科大学优秀拔尖人才（2010）。
梁高林东南大学首席教授，博士生导师，生物电子学国家重点实验室副主任，国家杰出青年科学基金获得者。主要研究方向包括生物成像和生物医药。迄今为止，在SCI收录期刊上发表论文160余篇。Nature Chemistry, Nature Communications, Science Advances, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Biomaterials, Chemical Science, Analytical Chemistry等国际期刊上发表，论文目前被引用8600余次，H因子49。先后获得国家二类新药证书1项、国家专利7项、世界专利1项，美国专利1项。获国务院政府特殊津贴（2020年）；入选2019年国家百千万人才工程，被授予“有突出贡献中青年专家”；获2019年安徽省自然科学二等奖（排名第一）；获2017年“国家杰出青年科学基金”资助、2012年安徽省第二批“百人计划”“安徽特聘专家”、2011年安徽省“杰出青年科学基金”资助以及2010年教育部“新世纪优秀人才支持计划”等。
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本文完