心肌梗死治疗新突破：细胞外基质水凝胶的区域与细胞特异性生物活性空间转录组学解析

《Nature Communications》：Regional and cell specific bioactivity of injectable extracellular matrix biomaterials in myocardial infarction

本研究针对心肌梗死(MI)后不良左心室重构这一临床难题，开发了基于猪心肌脱细胞基质的可注射细胞外基质(ECM)水凝胶。通过空间转录组学和单核RNA测序技术，研究人员发现该材料在急性和慢性MI模型中均能诱导巨噬细胞极化、促进血管/淋巴管生成、激活成纤维细胞并增强心肌细胞发育程序。特别值得注意的是，ECM水凝胶在注射区域形成独特的空间转录特征，显著改善心脏修复微环境。该研究为生物材料治疗MI的机制提供了单细胞分辨率的有力证据，发表于《Nature Communications》杂志。

　　

当心脏的冠状动脉突然阻塞，心肌梗死（MI）便会发生。这不仅是全球范围内的主要健康问题，更是导致心力衰竭和死亡的重要原因。尽管当前的血运重建技术和药物治疗能够挽救部分心肌，但梗死区域往往会发生一系列复杂的病理变化：心肌细胞凋亡、免疫细胞浸润、血管网络丢失以及纤维化增生。这些变化最终导致左心室进行性重构和功能下降，如同一个无法自行修复的引擎，逐渐失去动力。

在这一背景下，再生医学领域将目光投向了生物材料，特别是基于细胞外基质（ECM）的水凝胶。这些材料模拟了天然心脏组织的三维环境，理论上能够为心脏修复提供更适宜的微环境。然而，尽管可注射ECM水凝胶在动物实验中显示出改善心脏功能的效果，科学界对其作用机制的理解仍停留在组织水平。就像我们知道某种药物有效，却不清楚它具体作用于哪些细胞、激活哪些信号通路一样。这种认知空白限制了生物材料的进一步优化和应用。

为了揭开这层神秘面纱，加州大学圣地亚哥分校的Karen L. Christman团队开展了一项创新性研究。他们想知道：ECM水凝胶究竟如何影响心脏中不同区域的基因表达？它又对哪些细胞类型产生了特异性作用？这些作用在心肌梗死的不同阶段（急性期和慢性期）又有何异同？

研究人员采用了两大前沿技术：空间转录组学能够保留基因表达的位置信息，揭示不同区域（如梗死区、边界区、正常区）的转录特征；单核RNA测序（snRNAseq）则可以在单细胞分辨率下解析每种细胞类型的反应。这种"空间+单细胞"的双重视角，如同既绘制了城市地图，又普查了每个社区居民的情况，全面而精细。

研究团队首先在心肌梗死模型大鼠的梗死区域注射了荧光标记的ECM水凝胶，并在7天后采集心脏样本进行分析。结果发现，含有ECM水凝胶的区域形成了独特的转录组学特征，与单纯梗死区域明显不同。这些区域上调的基因主要涉及免疫调节（如Ccn1）、细胞骨架重建（Tnc、Sdc1等）和血管生成（Col3a1、Col8a1等）。基因本体（GO）富集分析显示，ECM水凝胶区域富含免疫调节和发育相关通路，而单纯梗死区域则与细胞运动能力下降、细胞通讯负调控等病理过程相关。

在单核水平上，研究揭示了更为精细的细胞特异性反应。巨噬细胞表现出向修复型（M2型）极化的趋势，高表达Lyve1、Lgals3等标志物。T细胞则显示出Th2型免疫反应特征，这通常与抗炎和组织修复相关。内皮细胞中，血管生成相关基因（Adamts9、Vegfc等）显著上调，表明ECM水凝胶促进了新血管形成。

令人惊喜的是，研究还发现了一些之前未被充分认识的作用：ECM水凝胶处理的心肌细胞表达了更多与心脏保护（Dgkb、Rcan1等）和发育（Lgr6）相关的基因；成纤维细胞被激活并产生更多细胞外基质成分；甚至神经细胞也显示出轴突生成和神经发生增强的迹象。这些发现如同拼图般，逐步勾勒出ECM水凝胶促进心脏修复的全景图。

当研究团队将目光转向慢性心肌梗死模型（梗死8周后治疗）时，他们发现ECM水凝胶仍然能够诱导空间特异性的转录程序，但细胞反应有所差异。与急性模型相比，慢性模型中免疫调节作用较弱，但心脏发育和神经发生相关标志物表达更高。这表明，尽管治疗时间点不同，ECM水凝胶都能促进修复反应，但作用侧重点随疾病阶段而变化。

主要技术方法

研究采用心肌梗死大鼠模型，分别在梗死1周后（急性）和8周后（慢性）经心外膜注射ECM水凝胶或生理盐水对照。7天后取心脏组织，一部分进行冷冻切片用于空间转录组学分析（10X Visium平台），另一部分分离细胞核进行单核RNA测序。生物信息学分析采用Seurat软件包进行数据整合、聚类和差异表达分析，通过基因集富集分析鉴定显著通路。

ECM水凝胶在急性MI模型中引发空间特异性修复效应

通过整合空间转录组学数据，研究发现ECM水凝胶注射区域形成了独特的转录簇，与单纯梗死区域明显分离。该区域富含免疫调节基因、血管发育基因和细胞外基质重塑基因，表明ECM水凝胶在局部创造了一个促进修复的微环境。

ECM水凝胶在单细胞水平引发独特修复效应

单核RNA测序揭示了ECM水凝胶对多种心脏细胞类型的影响：巨噬细胞向修复型极化，T细胞偏向Th2型反应，内皮细胞高表达血管生成基因，心肌细胞激活发育和保护程序，成纤维细胞增强细胞外基质产生能力。

ECM水凝胶在慢性MI模型中同样引发空间异质性

在慢性心肌梗死模型中，ECM水凝胶注射区域仍然形成独特的空间转录特征，但基因表达特征与急性模型有所差异，更多涉及纤维化调节和慢性修复过程。

慢性MI模型中ECM水凝胶引发细胞特异性修复程序

慢性模型中的单细胞分析显示，ECM水凝胶仍能促进巨噬细胞极化、血管生成和心肌发育，但免疫调节作用较弱而发育信号更强，反映了疾病不同阶段的微环境差异。

ECM水凝胶修复效应在不同给药时间点具有保守性

整合急性和慢性数据发现，两个时间点的ECM治疗共享多种修复相关基因（如Col8a1、Col12a1、Csrp2等），表明ECM水凝胶的核心修复机制在不同疾病阶段均发挥作用。

这项研究的意义不仅在于揭示了ECM水凝胶的作用机制，更展示了空间转录组学和单细胞测序技术在生物材料研究中的强大潜力。如同为药物研发提供了"高分辨率显微镜"，这些技术能够解析治疗材料在复杂组织中的精细作用。

研究证实，ECM水凝胶通过协调多种细胞类型的反应来促进心脏修复：它调节免疫环境，促进血管新生，增强心肌细胞存活，甚至改善神经支配。这种多靶点作用机制使其成为心肌梗死治疗的有希望策略。更重要的是，研究发现了治疗时间点对细胞反应的影响，为临床个性化治疗提供了理论依据。

这项工作的创新性在于首次将空间转录组学与单细胞分析相结合，全面解析生物材料在心脏修复中的作用网络。它不仅推进了我们对ECM水凝胶治疗机制的理解，也为开发更高效的心脏修复策略提供了新视角。未来，这种"空间+单细胞"的研究范式有望应用于更多生物材料研究，加速再生医学的发展。

正如研究人员所指出的，尽管这项研究存在样本量有限的局限性，但多组学技术的结合为解析生物材料的治疗活性提供了前所未有的分辨率。随着技术的进步和成本的降低，这种精细化的研究方式将更广泛应用于生物材料开发和优化，最终为心肌梗死患者带来更有效的治疗选择。