《Advanced Science》：An Infusible Decellularized Extracellular Matrix Material Binds to Vasculature in Infarcted Myocardium and Induces Pro-Reparative Gene Expression Following Acute Myocardial Infarction Through Inherent Avidity and Bioactive Signaling
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为治疗急性心肌梗死（MI），研究人员此前构建了一种可输注脱细胞细胞外基质（iECM）生物材料，该材料可降低血管通透性并发挥免疫调节与促修复作用。为探究iECM的异质性内容物及其对梗死定位与下游生物学功能的贡献，研究人员将iECM分离为高分子量（MW）与低分子量
为治疗急性心肌梗死（MI），研究人员此前构建了一种可输注脱细胞细胞外基质（iECM）生物材料，该材料可降低血管通透性并发挥免疫调节与促修复作用。为探究iECM的异质性内容物及其对梗死定位与下游生物学功能的贡献，研究人员将iECM分离为高分子量（MW）与低分子量组分。尽管质谱显示两者组成相似，但生化分析与透射电子显微镜揭示纳米纤维状高分子量组分内硫酸化糖胺聚糖（sGAG）含量更高，而球状低分子量组分具有更多暴露的功能基团。这些差异转化为高分子量组分在流动条件下对细胞外基质（ECM）蛋白和细胞表面受体更高的结合效率，而低分子量组分驱动血管通透性降低。任一组分单独均无法达到完整iECM的梗死滞留水平，表明两组分表现出相互依赖的梗死定位，且两者对iECM的整体功能均不可或缺。通过单核RNA测序（snRNAseq），两组分引发相当的免疫调节与促修复转录谱，提示组成的相似性可能驱动转录应答。这些发现阐明了可血管内递送的ECM生物材料的材料学特性及其与下游生物学行为的关系，为未来探究纳米材料仿生及改进材料加工与效力提供了基础。
研究背景：缺血性心脏病仍是全球重大健康负担，急性心肌梗死（AMI）以心肌血流受限为特征，导致心肌细胞死亡、内皮功能障碍、血管通透性增加、免疫细胞浸润及氧化应激，最终引发负性左心室重构和心力衰竭。经皮冠状动脉介入治疗是AMI最常见治疗手段，但再灌注本身会加重炎症（缺血-再灌注损伤）。现有生物材料治疗如心脏补片需侵入性手术，心肌内注射在急性期存在心律失常和心室破裂风险，因此可血管内递送的可输注生物材料受到关注，但此类材料需具备靶向损伤心肌的定位能力以减少脱靶效应。脱细胞ECM生物材料因其固有的免疫调节和促修复基序而备受关注，研究人员此前开发的iECM可在再灌注后立即递送而不形成血栓，能定位于炎症区域血管、降低血管通透性、促进血管愈合并改善心功能，但其与炎症组织血管相互作用的具体机制尚不清楚。本研究通过基于尺寸的分级分离将iECM分为两个主要组分，系统研究各组分在炎症和AMI背景下的行为，旨在为新型纳米材料治疗设计提供依据。论文发表于《Advanced Science》。
关键技术方法：研究人员采用乙醇沉淀法基于溶解度差异将iECM分离为高分子量和低分子量组分；使用尺寸排阻色谱（SEC）和SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）表征分子量分布；采用无标记定量质谱进行蛋白质组学分析；通过负染透射电子显微镜（nsTEM）观察形态；利用石英晶体微天平（QCM）在流动条件下评估与ECM蛋白及细胞表面受体的结合；在雌性Sprague-Dawley大鼠AMI模型中评估生物分布、滞留和血管通透性；对梗死组织进行单核RNA测序（snRNAseq）分析转录组变化。样本来源为猪左心室心肌组织（Collagen Solutions）和大鼠模型。
研究结果：
2.1 iECM由高分子量纳米纤维组分和可溶性低分子量多肽组分构成：SEC分析显示iECM呈双峰分布，高分子量组分（表观MW > 100 kDa）约占15%，低分子量组分（表观MW < 10 kDa）约占85%；乙醇分离后按质量计高分子量约19%、低分子量约81%。质谱显示两组分来源于相同母体ECM蛋白（高分子量中94%±3.5%的蛋白在低分子量中存在，反之91%±0.1%），但相对丰度不同。nsTEM显示高分子量组分为碎片化柔性纳米纤维，低分子量组分为球状多肽。生化分析表明低分子量组分游离硫醇和游离胺含量显著更高，高分子量组分含有大部分sGAG。
2.2 iECM及其组分特异性结合ECM蛋白和细胞表面受体：QCM结果表明高分子量组分除IV型胶原和P-选择素外对所有涂层的结合均增加，提示其具有最高的表观特异性；高分子量对层粘连蛋白111、I型胶原、ICAM和整合素α1β1的结合显著高于完整iECM和低分子量组分，提示两组分在完整iECM流动中存在相互作用。对照多肽结合显著低于iECM及其组分，证实其特异性结合。
2.3 iECM组分定位于通透性血管部位并降低血管通透性：大鼠MI模型中，完整iECM在1 h和3天的总信号均高于两组分之和，提示联合递送时滞留改善；归一化后高分子量组分在3天时梗死定位显著高于完整iECM和低分子量组分。低分子量组分单独即可显著降低血管通透性，而高分子量组分虽结合效率高但未显著降低通透性，提示低分子量组分是降低血管通透性的主要驱动者。荧光染色证实三种材料均与梗死区内皮细胞共定位。
2.4 iECM及其组分递送引发AMI后转录组变化：snRNAseq显示在内皮细胞中，iECM上调Notch1和Plxnd1提示血管生成应答，高分子量组分上调Tgfbr1、Flt1、Plxnd1、Nrp1、Nrp2及整合素Itga1、Itga6等，低分子量组分通过Flt1、Itga6、Pecam1、Nrp1显示类似血管生成信号。淋巴内皮细胞中各组均显示血管生成和免疫调节信号。壁细胞中所有治疗均上调Col4a1、Col4a2提示血管稳定支持。免疫细胞方面，B细胞、T细胞和巨噬细胞显示各组均产生类似的免疫调节应答，M2型巨噬细胞应答在第7天持续存在。心肌细胞中iECM上调Vegfa、Ddah1等提示心脏血管生成和收缩功能保护，高分子量和低分子量组分均上调Erbb4、Corin、Tbx20、Pde3a及Fgf12、Fgf13等抗凋亡和减少重构相关基因。成纤维细胞中各组显示成纤维细胞活化和心脏保护双重信号。神经元细胞中各组通过Gap43上调显示神经发育和增殖迹象。GO富集分析显示三种治疗在主要细胞类型中富集通路高度保守，均富集血管生成、免疫细胞活化和促修复表型。
讨论部分总结：本研究通过此前未用于ECM生物材料的方法广泛表征了iECM及其组分的材料学特性和生物学应答。iECM中鉴定出生化和形态学上不同的高分子量和低分子量组分，两者在体外对ECM组分和细胞受体的结合存在差异。蛋白质组学揭示两组分由相似蛋白的肽段组成但相对丰度不同。QCM证据表明两组分相互 interaction，进一步提示与暴露ECM的结合相互作用。体外差异转化为MI后给药的行为差异：低分子量组分单独即可在1 h显著降低血管通透性，高分子量组分更高效地结合受损内皮，而两组分联合导致总信号增加，提示iECM总组成对急性定位的重要性。snRNAseq显示所有主要细胞类型中iECM、高分子量和低分子量治疗相对于生理盐水的血管生成、免疫调节和促再生表型相似。DEGs和GO富集在治疗组间的保守性进一步凸显了两组分的相互关联行为。总体而言，这些数据表明iECM两组分的定位使其能够 engagement 血管相关细胞群体，从而塑造免疫应答并影响心肌细胞这一心肌功能的关键决定因素。研究结论翻译：这些发现印证了当前关于ECM生物材料通过其异质性发挥治疗作用的观点，同时对iECM组分及其特性的深入分析揭示了设计可输注生物材料的新途径。具体而言，本工作证明TEM中所见的柔性纳米纤维形状结合QCM所示的多价、多靶向结合赋予了对炎症部位血管的高特异性和滞留能力。这些发现突出了可用于设计和改进靶向血管内生物材料的材料属性，可通过合成仿生或对生物衍生材料的加工修饰实现。
