基于硅酸锶生物墨水的多细胞支架空间分布调控促进心肌梗死修复的研究

《Bioactive Materials》：Silicate biomaterials-based multicellular scaffolds with specific cellular spatial distribution for infarcted myocardium repair

本研究针对心肌梗死修复中细胞移植存活率低、血管化不足等难题，开发了含硅酸锶(SS)的GelMA生物墨水，通过同轴/平行多通道3D生物打印技术构建具有核心-壳层( Core-Shell )空间分布模式的心肌细胞(CMs)/主动脉内皮细胞(ECs)多细胞支架。研究发现2SS-GelMA生物墨水可显著促进CMs同步收缩功能和成熟度，增强ECs血管生成活性，并通过上调Sik、Btg2等基因表达调控细胞间相互作用。在大鼠心肌梗死模型中，2SS-Core-Shell支架有效抑制心肌纤维化，促进血管新生，改善心功能(EF/FS提升)。该研究为心肌组织工程提供了兼具仿生结构和生物活性的新型治疗策略。

　　

心血管疾病是全球范围内导致死亡的主要原因之一，其中心肌梗死（Myocardial Infarction, MI）由于冠状动脉阻塞导致心肌细胞（Cardiomyocytes, CMs）大量死亡，进而引发心力衰竭，给患者和社会带来沉重负担。目前临床上的药物治疗和介入治疗等手段虽然可以缓解症状，但无法有效修复受损的心肌组织。近年来，细胞移植、生物活性因子递送以及心脏补片等基于生物材料的治疗方法取得了一定进展，但仍面临细胞存活率低、递送效率不高等挑战。因此，开发能够模拟天然心肌结构和功能的新型心肌修复策略具有重要的科学和临床价值。

天然心肌组织主要由心肌细胞和密集的血管网络组成，细胞间的空间排列和相互作用对维持心脏功能至关重要。然而，现有技术难以精确控制多种细胞的空间分布，也无法有效模拟细胞间的信号交流。此外，如何促进心肌细胞的成熟和同步收缩，同时增强血管生成，仍是心肌组织工程领域的核心难题。

针对上述问题，中国科学院上海硅酸盐研究所的秦晨、吴成铁团队在《Bioactive Materials》上发表了一项创新性研究。他们通过多通道3D生物打印技术，构建了具有特定细胞空间分布模式的硅酸锶（Strontium Silicate, SS）掺入多细胞支架，用于促进梗死心肌的修复。该研究首次将细胞空间分布调控与无机生物材料的生物活性相结合，为心肌修复提供了新思路。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过溶剂热法合成SS微米颗粒并表征其物相组成和形貌；将SS颗粒与甲基丙烯酰化明胶（GelMA）混合制备复合生物墨水，并系统评估其流变性能和离子释放特性；从新生大鼠分离原代CMs和从成年大鼠主动脉分离ECs，并通过免疫荧光染色鉴定细胞纯度；利用多通道3D生物打印技术构建具有不同空间分布模式（核心-壳层、平行、壳层-核心）的多细胞支架；通过钙瞬变检测、免疫荧光染色、qPCR等技术评估支架的生理功能；建立大鼠心肌梗死模型并植入支架，通过超声心动图、Masson染色和免疫荧光染色评估修复效果；最后通过RNA测序分析潜在的分子机制。

3.1 SS微米颗粒和SS生物墨水的制备与表征

研究人员首先通过溶剂热法成功合成了具有均匀六棱柱形貌的SS微米颗粒，X射线衍射（XRD）证实其成分为SrSiO₃。将SS颗粒以不同浓度（0%、2%、5%、10%）掺入GelMA中制备复合生物墨水。扫描电子显微镜（SEM）显示SS颗粒均匀分布在具有大孔结构的水凝胶中。流变学测试表明所有生物墨水均表现出剪切稀化行为和良好的打印适性。离子释放实验证实SS生物墨水可持续释放Sr²⁺和SiO₃^2?离子，且释放浓度随SS含量增加而升高。细胞实验显示，含2%-5% SS的生物墨水能显著促进CMs的钙瞬变同步性和心脏特异性基因（CACNA1A、MYH6/MYH7、TNNT2）表达，其中2SS-GelMA效果最优。

3.2 多细胞空间分布模式的设计、制备及调控作用

为模拟天然心肌中CMs与血管网络的分布，研究团队设计了三种细胞空间分布模式：核心-壳层（ECs在内、CMs在外）、平行（两种细胞并列）和壳层-核心（CMs在内、ECs在外）。通过多通道3D生物打印技术成功构建了这三种多细胞支架。共聚焦显微镜观察显示，核心-壳层和平行分布的支架在培养7天后仍能保持原有的细胞分布模式，而壳层-核心支架中内部的CMs存活率较低。功能实验表明，核心-壳层支架表现出最佳的同步收缩功能（钙瞬变峰值数量最多、达峰时间最短），其心脏功能相关基因表达也最高；而壳层-核心支架则显示出更强的血管生成相关基因（VEGF、VE-cad、eNOS）表达。这表明细胞的空间分布显著影响支架的生理功能，外层分布的细胞因更容易获取营养和氧气而表现出更好的活性。

3.3 SS生物墨水对多细胞支架体外生理功能及细胞间相互作用的调控作用

研究人员进一步探讨了SS生物墨水对核心-壳层多细胞支架功能的调控作用。结果显示，2SS-Core-Shell和5SS-Core-Shell支架的收缩频率和钙瞬变同步性均显著优于不含SS的对照组。qPCR分析证实SS生物墨水可同时上调心脏功能基因（CACNA1A、TNNT2）和血管生成基因（VEGF、eNOS）的表达。通过Transwell共培养实验发现，SS生物墨水能激活CMs与ECs之间的相互作用：在SS存在下，共培养条件显著降低了CMs的凋亡比例，并增强了ECs的VEGF和NRG-1基因表达及蛋白分泌。进一步机制研究表明，SS可能通过PI3K/AKT通路促进血管生成，并通过调控VEGF和NRG-1等旁分泌因子增强细胞间通讯。

3.4 不同细胞空间分布的多细胞支架在大鼠MI模型中的修复功能

动物实验表明，植入2SS-Core-Shell支架可显著改善心肌梗死大鼠的心功能，4周后射血分数（Ejection Fraction, EF）和短轴缩短率（Fractional Shortening, FS）明显提升，左心室扩张得到抑制。组织学分析显示，该支架能有效减少梗死面积，促进α-actinin阳性心肌组织再生和CD31阳性血管形成。比较三种空间分布支架的修复效果，发现核心-壳层和平行分布的支架修复效果较好，而壳层-核心支架效果较差。此外，SS生物墨水的加入显著增强了支架的修复功能，2SS-Core-Shell支架在抑制心肌肥大、促进血管生成方面表现最佳。

3.5 细胞空间分布和SS生物墨水调控支架修复功能的潜在途径

RNA测序分析揭示了2SS-Core-Shell支架促进心肌修复的潜在分子机制。与核心-壳层空间分布相关的特异性上调基因包括Sik、Btg2、Nr4a1、Nr4a2、Apold1、Ccn1和Egr1等，这些基因与心肌梗死稳态调控、细胞排列和细胞间相互作用密切相关。而与SS生物活性相关的上调基因主要富集在细胞结构维持、应激反应和多细胞生物过程等通路，如Cdh22、Arc、Nr4a3和Slpi等。这些结果表明，SS核心-壳层支架通过空间分布和生物活性离子的协同作用，上调了多个关键基因的表达，从而促进心肌修复。

该研究通过整合细胞空间分布结构和生物墨水活性成分，成功开发了一种兼具仿生结构和修复功能的多细胞支架。其主要意义在于：首次系统揭示了细胞空间分布对心肌修复效果的调控作用，证实核心-壳层分布最有利于心脏功能恢复；阐明了SS生物墨水通过释放Sr²⁺和SiO₃^2?离子促进CMs成熟和ECs血管生成的双重作用，并激活细胞间相互作用；通过多通道3D打印技术实现了多种细胞的精确空间排列，为复杂组织构建提供了新方法。该研究不仅为心肌梗死治疗提供了新的策略，也为其他器官的组织工程研究提供了重要参考。