期刊：Exploration
影響因子：30.4
伯豪技術服務：RNA測序
導語
心臟是一個高度依賴能量代謝的器官。開發生物能量激活型生物材料，以激活心肌細胞的三磷酸腺苷（ATP）產生并恢復失調的能量穩態，是促進心臟功能恢復的一種有前景的解決方案。具有可調特性的無機生物材料可以提供多種物理化學信號，以實現生物能量激活。然而，目前對于無機生物材料所衍生的可誘導心肌生物能量激活的物理化學信號，尚缺乏系統的設計和研究。
研究思路
本研究提出了一種基于硅酸鹽無機生物材料的生物能量激活型生物墨水。通過化學組成和物理形貌信號的雙重設計，開發了含有不同形貌硅酸鎂（MS）納米顆粒的生物墨水，并制備了相應的3D生物打印心肌補片。研究發現，MS中的鎂和硅能夠顯著促進ATP的產生和心肌成熟。同時，MS納米顆粒的物理形貌能夠調節細胞內吞后的線粒體靶向效應以及水凝膠基質的動態剛度，從而系統性地調控ATP的產生和心肌功能。此外，含有MS納米管的心肌補片在大鼠和小型豬兩種動物模型中均顯著促進了心臟修復和功能恢復。這一策略為基于生物相容性無機生物材料的生物能量激活提供了新的設計思路，為受損復雜組織的臨床治療提供了更多潛在途徑（圖1）。
圖1：文章概要圖
技術服務
RNA測序
（技術服務由伯豪生物提供）
結果分析
1. MS形貌調控及其對補片力學性能的影響
共合成三種不同形貌的MS納米顆粒，即不規則顆粒（IR）、納米球（NS）和納米管（NT）（圖2）。將三種MS納米顆粒分別與甲基丙烯酰化明膠（GelMA）復合制備生物墨水后，流變學測試顯示所有生物墨水均具有優異的溫敏性和剪切稀化特性，適合擠出式3D打印。離子釋放曲線表明，在4%濃度下，4IR-GelMA生物墨水釋放的鎂離子和硅離子濃度遠高于其他兩組，這可能歸因于IR獨特的蓬松片層結構使其具有更大的比表面積。在培養過程中，所有含MS補片的儲能模量（G'）下降趨勢均被抑制，其中含NT的補片表現出最高的G'。通過計算模擬進一步發現，不同形貌MS與GelMA基質的相互作用機制不同：彈性模量計算值呈現GelMA＜IR-GelMA＜NS-GelMA＜NT-GelMA，表明MS的納米管形貌因其更有效的應力分布和載荷傳遞能力，對復合材料力學性能的增強效果最為顯著（圖3）。
圖2：三種形貌MS材料合成
圖3：不同形貌MS生物墨水的表征與理論計算
2. MS促進3D生物打印心肌補片心肌成熟與同步收縮功能
我們進一步制備了含2%和4%三種形貌MS的七種心肌補片并評估其體外效應。結果顯示，含2% MS的補片顯著促進心肌細胞鋪展和CX-43表達，效果排序為NT > NS > IR。基因表達分析同樣證實NT組表達最高、NS次之、IR最低。表明MS的濃度和形貌調控補片生理功能，以2%添加量及納米管形貌效果最優（圖4）。
圖4：3D生物打印心肌補片體外功能化檢測
3. MS形貌依賴的線粒體靶向效應對心肌能量代謝的調控作用
通過透射電鏡觀察發現，三種形貌的MS納米顆粒均可被心肌細胞攝取，并均富集于線粒體附近，其中納米管（NT）更易靠近甚至分布在線粒體上。免疫熒光共定位分析進一步證實，不規則顆粒（IR）和NT可進入線粒體內，而納米球（NS）主要分布在線粒體周圍，且NT與線粒體的共定位程度最高（圖5）。ATP檢測結果顯示，2NT-GelMA組的ATP產生水平最高。轉錄組測序分析表明，與2IR-GelMA組相比，2NT-GelMA組有161個上調差異基因，富集于氧轉運與結合、ATP結合、GTP酶結合等能量代謝相關通路；與2NS-GelMA組相比，2NT-GelMA組有155個上調差異基因，富集于GTP酶結合、Rab GTP酶結合、磷酸酶活性等能量代謝相關通路（圖6）。上述結果表明，MS納米顆粒的形貌通過調控其線粒體靶向效應，進而影響心肌細胞的能量代謝，其中納米管形貌的促進效果最為顯著。
圖5：MS納米顆粒與線粒體的共定位
圖6：基因組RNA測序結果顯示心肌補片激活能量代謝
4. MS納米管基心肌補片促進小型豬梗死心肌修復
基于體外及大鼠體內實驗中NT形貌硅酸鎂表現出最優的促心肌修復效果，本研究進一步選擇含2% NT的心肌補片在小型豬心梗模型中驗證其修復功能。術后4周結果顯示，2NT-GelMA組心室壁最厚、梗死面積最小，局部場電位幅度顯著增強，射血分數（EF）和縮短分數（FS）明顯提高（圖7）。免疫熒光染色表明，該組梗死區域α-actinin和CX-43表達更高，新生血管更密集，且人源心肌細胞可遷移至宿主組織實現良好整合（圖8）。以上結果驗證了含NT形貌硅酸鎂的3D生物打印心機補片在大型動物模型中的心肌修復效果。
圖7：基于MS納米管的心肌補片對小型豬體內的修復效果
圖8：小型豬梗死區域組織學評估
結論
本研究開發的基于形貌可調硅酸鎂納米顆粒的生物能量激活型生物墨水，通過調控心肌細胞ATP產生及能量代謝，系統性增強了3D生物打印心肌補片的體外生理功能和體內修復效果，其中納米管形貌在小型豬模型中顯著促進了心肌修復和心功能恢復。該策略為生物能量激活型無機生物材料的設計提供了新思路，有望推動心力衰竭及復雜組織損傷的臨床再生治療。
相關工作以“Bioactive Magnesium Silicate Activating Myocardial Energy Metabolism for Infarcted Myocardium Repair”為題，發表在《Exploration》期刊上。中國科學院大學上海硅酸鹽研究所廖志彬博士與秦宸博士后為論文共同第一作者，中國科學院大學上海硅酸鹽研究所吳成鐵研究員與廣州醫科大學王樂禹教授為本文通訊作者。
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/exp2.70161