锂镁硅生物陶瓷增强心脏补片通过Notch通路激活心外膜上皮-间质转化促进心肌修复

为解决心肌梗死(MI)后心肌组织不可逆损伤的临床难题，南方医科大学团队开发了一种含锂镁硅生物陶瓷(LMS)的工程化心脏补片(ECP)。研究发现该补片通过Notch通路激活心外膜上皮-间质转化(EMT)，促进心肌细胞(CMs)功能化和电信号传导，在体内显著改善心脏功能并重建梗死区电传导。这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究为心肌修复提供了创新性治疗策略。

　　

心肌梗死是全球范围内致死率最高的心血管疾病之一，当冠状动脉血流中断时，心肌细胞会因缺氧而大面积死亡，最终被无序的纤维瘢痕组织替代。目前临床上采用冠状动脉搭桥手术、药物治疗和经皮冠状动脉介入治疗等手段，但这些方法只能缓解症状，无法实现心肌组织的真正修复。更棘手的是，心脏这个精密"电路系统"一旦出现梗死区域，就会导致电信号传导异常，引发致命性心律失常。面对这些挑战，组织工程领域提出了工程化心脏补片(ECP)这一创新解决方案，但如何让补片真正"活"起来，激活心脏自身的修复潜能，仍是科学家们亟待攻克的难题。

南方医科大学的研究团队从自然界中获取灵感，将目光投向了具有神奇修复能力的硅酸盐生物陶瓷。这类材料就像"无机离子工厂"，能持续释放锂(Li⁺
)、镁(Mg²⁺
)和硅(Si⁴⁺
)等多种活性离子，这些离子被发现可以促进血管新生、抑制心肌纤维化。更有趣的是，研究人员注意到心脏发育过程中，心外膜细胞会经历上皮-间质转化(EMT)变成具有多向分化潜能的祖细胞，这些细胞能迁移到心肌层分化为血管细胞和成纤维细胞，参与心脏修复。但成年心脏的这种自我修复能力非常有限，如果能"唤醒"这个沉睡的修复机制，或许能为心肌梗死治疗带来突破。

研究人员采用溶胶-凝胶法制备锂镁硅(LMS)生物陶瓷颗粒，将其与甲基丙烯酸酯化明胶(GelMA)水凝胶复合，构建了具有多孔结构的ECP。通过电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)监测离子释放，采用扫描电镜(SEM)观察材料形貌，并利用电生理 mapping系统检测电传导特性。体外实验使用新生SD大鼠原代心肌细胞和心外膜细胞，通过钙瞬变检测、免疫荧光染色等技术评估材料性能；体内实验通过结扎大鼠左前降支动脉(LAD)建立心肌梗死模型，植入ECP后采用超声心动图、Masson染色等方法评估治疗效果。

【LMS-containing hydrogels were developed and acted as scaffolds】
研究首先证实含4%LMS的GelMA水凝胶能持续释放Li⁺
、Mg²⁺
和Si⁴⁺
等离子，扫描电镜显示材料具有均匀的多孔结构，力学测试表明其能承受80%的压缩应变。活死染色显示该材料支持心肌细胞高活性生长，细胞计数试剂盒(CCK-8)检测证实LMS组细胞增殖活性显著提高。

【LMS-containing hydrogel scaffolds promoted the functionalization and electrical signal conduction of naive CMs】
含4%LMS的支架使心肌细胞肌节蛋白α-actinin和缝隙连接蛋白CX43表达量接近成年心肌细胞水平。钙成像显示该组心肌细胞钙瞬变峰值时间最短(1.2秒)、波动频率最高(5次/5秒)，同步收缩幅度达150μm，显著优于其他组别。qRT-PCR检测发现ATP合成相关基因(Ndufs2、Cox5a等)表达上调18倍，成熟肌球蛋白重链Myh6表达增加。

【LMS-containing hydrogel scaffolds activated epicardial cell EMT through the Notch pathway】
心外膜细胞在4%LMS支架上培养3天后，上皮标志物E-cadherin表达下调，间质标志物N-cadherin表达上调，细胞形态由铺路石样变为梭形。划痕实验显示其迁移能力增强2.5倍。当用γ-分泌酶抑制剂DAPT阻断Notch通路后，这种促EMT效应被消除。基因检测发现Notch4、Dll4、Jag2等Notch通路相关基因显著上调。

【LMS-containing hydrogel scaffolds facilitated the restoration of damaged CMs by stimulating the epicardial cell EMT】
在transwell共培养系统中，经脂多糖(LPS)损伤的心肌细胞与4%LMS处理的心外膜细胞共培养后，CX43表达恢复至正常水平的85%，同步收缩频率提高3倍。条件培养基实验证实这种修复作用主要通过旁分泌机制实现。

【LMS-containing ECPs promoted reconstruction of infarcted myocardium】
大鼠心肌梗死模型显示，植入4周后LMS补片组梗死面积减少60%，左室前壁厚度增加2.3倍。免疫荧光显示该组小动脉密度是对照组的4倍，心外膜标志物Wt1⁺
细胞数量增加5倍，且与内皮标志物CD105共定位。巨噬细胞极化分析显示促修复的M2型比例提高至75%。

【LMS-containing ECPs enhanced cardiac electrical conduction】
64通道电极阵列 mapping系统检测显示，LMS补片组梗死区电传导速度达35cm/s，接近正常心肌组织。电压振幅恢复至9mV，CX43蛋白表达面积达45%，显著改善"电路断路"问题。

【RNA-seq analysis revealed the underlying mechanism】
转录组测序发现LMS补片组基因表达谱最接近假手术组，差异基因主要富集在氧化磷酸化、钙信号通路和心肌收缩等通路。Notch通路相关基因(Jag2、Dll4等)和EMT标志物(Cdh2、Vegfa等)显著上调。

这项研究开创性地将生物陶瓷与心脏补片技术相结合，犹如为心脏装上了"离子电池"，通过持续释放活性离子激活心外膜细胞的再生潜能。Notch通路就像一把"分子钥匙"，开启了心外膜EMT的修复程序，这些转化后的细胞又通过旁分泌作用修复受损心肌，形成完美的修复"接力"。特别值得关注的是，该补片不仅能促进血管新生，还能重建电信号传导路径，解决了组织工程补片"有形无神"的难题。这种利用内源性修复机制的策略，避免了外源细胞移植的免疫排斥风险，为心肌梗死的临床治疗提供了全新思路。