干细胞 + 海藻酸盐-壳聚糖（ACM）水凝胶

心肌梗塞（Myocardial Infarction）是当下全球人口中最大的死因之一，表现为急性或持续性缺血、缺氧所引起的心肌坏死，而心肌本身又缺乏再生能力以进行修复。目前，临床上尚无手段以弥补心肌梗塞造成的心肌细胞数量减少。不过，已有一些试验性思路正在探索中，但是却因为种种挑战仍与实际医学应用有着相当的距离。

将干细胞悬液施于梗塞部位以使其分化为心肌细胞是一种看似最为直观的方法。然而，这些游离的单个细胞很难留存于梗塞部位，绝大多数在几天内便会“逃逸”进入血液循环。若将干细胞包裹在水凝胶的多孔小型组织支架中再植入梗塞部位，虽然留存情况会改善，但由于支架中氧气扩散的速率往往难以满足干细胞的需要，后者在这些支架中会大量死亡。此外，刚刚发生心肌梗塞的部位往往会聚集相当数量的巨噬细胞及其分泌的细胞因子。这不仅会直接伤害到植入的干细胞，还会因后者的加入还被进一步激发，从而十分不利于干细胞的存活。

更为令人担忧的是，分化程度较低的干细胞可能会在心肌内形成肿瘤（注：胚胎干细胞可形成崎胎瘤）。为了避免这一后果，上述干细胞通常需要经过一定程度的分化，以减少发生癌变的几率。在这一过程中，分化的时机需精确掌控。如果将较成熟心肌细胞植入，这些细胞会因已形成固有的且与受体心肌细胞不一致的电生理特性，而造成心肌功能异常；只有让干细胞成为处于早期分化阶段的心肌细胞，再进行植入，才能既减少癌变风险，又使其被周围的受体心肌细胞调试，发展出与其一致的电生理特性。

这么一说，心肌梗塞的干细胞疗法真是说起来容易，做起来难。然而即便这样，最近，美国俄亥俄州立大学的刘振国、何晓明和Noah Weisleder教授的研究团队仍然摸索出了一套有效的干细胞疗法，在心肌梗塞小鼠模型中取得了显著的效果。他们的成果发表在Nature子刊《Nature Communications》上。

该方法模仿了早期胚胎发育的过程。研究人员先将20多个小鼠胚胎干细胞植入一个由半通透性的海藻酸盐水凝胶外壳包裹的微囊内，这里的外壳类似于早期胚胎的透明带。上述干细胞会首先分裂，形成由1000多个干细胞组成的聚集体，进入到了类似于桑椹胚的阶段。之后，研究人员通过引入BMP-4和bFGF等转录因子，用3天的时间将微囊中的干细胞团初步诱导为处于早期分化阶段的心肌细胞，再以柠檬酸钠将微囊的外壳溶解，将上述初步分化的细胞团释放出来。这些细胞团后者又会通过先后浸泡于壳聚糖和氧化海藻酸盐的溶液中，被包裹进入海藻酸盐-壳聚糖（ACM）微型基质中，形成另一种微囊，以备心肌植入。值得指出的是，尽管反复经历了这样的包裹和再包裹的过程，上述细胞团依然保持着高度的生活力。

处分化心肌细胞团制作步骤（右）与胚胎发育过程（右）对照（图片来源：Nature Communications）

接着，研究人员通过左前降支动脉的永久性结扎，造成野生型或具有巨噬细胞功能缺陷的Card9基因敲除小鼠发生心肌梗塞，并在仅5分钟后，将这些包裹有初步分化心肌细胞的ACM微囊植入小鼠的心肌梗塞部位，其中的ACM基质会在3天内自行降解。结果显示，小鼠的心肌功能在这之后出现了显著改善，反映在射血分数、心输出量、每搏输出量等指标上，且发生纤维化的比例下降。不仅如此，这些植入的初分化细胞在心肌中存活了下来，经过继续分裂和分化，已于周围的受体心肌细胞融为了一体，并且没有发生癌变。

小鼠心肌梗塞手术和疗法操作示意

相比之下，野生型的心肌梗塞小鼠在接受无包裹初分化细胞团或者干细胞悬浮液植入后，不仅心肌功能恢复效果下降了许多，而且一半以上均在梗塞部位形成了大型的肉芽肿，后者由巨噬细胞和T细胞等组成，显示出现了强烈的免疫反应。这不仅导致被植入的细胞很可能已被大部分杀灭，且造成了相当比例的小鼠死亡。如果是Card9基因敲除小鼠，上述操作产生大型肉芽肿的几率则会有所下降，说明巨噬细胞在针对植入细胞的免疫反应中发挥了一定的作用。

这一由胚胎发育过程启发而设计出的心肌梗塞干细胞疗法不仅显著恢复了小鼠模型的心肌功能，还有效地避免了受体免疫反应和癌变等风险。其中，ACM基质的重要性是显而易见的。它不仅提高了植入细胞的留存度和存活率，而且创造了一个局部性的保护性微环境，使其免受免疫攻击，并在“安全护送”万植入细胞后可自行降解。这一开创性的手段为心肌梗塞干细胞疗法的开发提供了宝贵的思路。

·                     Zhao S, Xu Z, Hai W, et al. Bioengineering of injectable encapsulated aggregates of pluripotent stem cells for therapy of myocardial infarction[J]. Nature Communications, 2016, 7.

2

 干细胞+纳米级温敏水凝胶

在世界范围内，心血管疾病是引起疾病死亡的主要原因，但是治疗手段仍然有限。心肌梗死可导致心肌的损伤，具有发病急，预后差的特点。近期，来自美中澳三地的科学家联合研究发现，利用纳米级的温敏材料包裹心脏干细胞，能够在心肌梗死心脏中展现出良好的修复作用。该结果已在大动物（猪）心梗模型中得到了验证，研究成果以Editors’ Choice的形式发表在《ACS Nano》杂志上。

研究学者目前已经尝试采用不同的方式修复损伤的心肌，而干细胞治疗是具有治疗潜力的方式之一。但是，单纯干细胞的治疗效果受限于细胞移植后滞留率低和宿主的免疫排斥反应等问题。在生物工程领域，由水和聚合物合成的可注射水凝胶在梗死心脏中的修复作用正在得到深入的研究。但是，天然的聚合物费用昂贵，各个批次之间差异性较大。

来自于美国北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学-教堂山分校的程柯教授、 中国郑州大学第一附属医院的张金盈教授和澳大利亚阿德莱德大学的Hu Zhang教授带领三方课题组联合研发孔径极小的纳米级P(NIPAM-AA)温敏材料，利用P(NIPAM-AA)温敏胶的物理特性和化学特性，与心脏干细胞结合，观察其在心肌梗死心脏中的修复作用。

研究发现P(NIPAM-AA)温敏胶在温度达到将近体温时可以由液态转为胶态。基于P(NIPAM-AA)温敏胶的特殊结构，这种廉价的合成水凝胶可以封装心脏干细胞，为干细胞提供良好的生长环境，并且不影响干细胞生长因子的释放。

将封装的心脏干细胞注射入小鼠或者猪的体内，干细胞在体内的滞留率远大于单纯细胞注射组。P(NIPAM-AA)温敏胶的物理特性可以隔离心脏干细胞，一定程度上避免系统性炎症反应和局部免疫排斥反应的发生。在小鼠和猪的心肌梗死动物模型中的研究证实P(NIPAM-AA)温敏胶结合心脏干细胞具有良好的心脏修复作用。

因此，P(NIPAM-AA)温敏胶封装干细胞治疗的方式克服了既往干细胞治疗的难题，全方位促进心脏干细胞长期有效的发挥心脏修复作用。