一種可轉運功能組織的形狀記憶支架

目前人體大部分組織（如心臟、血管、軟骨、大腦等）可以成功的進行組織工程，但是將這些組織放置到體內仍然需要經過具有侵略性的外科手術方法。水凝膠雖然對機體傷害較小，但是水凝膠沒有組織水平的結構來直接行使功能，並且這種方法不利於保留轉運位置的細胞。因此，Milica Radisic團隊設計出了一種新型的支架，該支架可以通過注射的方式把功能齊全的組織轉移入體內。

三種預聚物混合，加入光誘導劑後，加入到PDMS模型中，剛開始設計了6種不同形態，發現1/2/6號形狀可以成功通過注射測試。因為線形紋溝能促進細胞伸長，所以最終選擇6號菱形圖案。在該支架上接種心肌細胞後，發現並不影響其壓力和彈性（fig1）。

Figure 1 Scaffoldsynthesis, fabrication and characterization

體外培養可注射的心肌補丁：在一個定製的帶有碳電極的生物反應器中進行。b：反應器中的PDMS可以在細胞生長和刺激的過程中固定支架且保持其結構，防止組織反轉和壓縮。培養7d後，組織開始同步收縮。d:肌原纖維α-actinin在有無電刺激時都出現了，但是電刺激組更多。e:兩組的興奮閾ET（能起搏細胞的最低電壓）無顯著差異，f:但是電刺激組能得到更高的最大捕獲率MCR（即施加兩倍興奮閾值後的最大同步收縮速度）（fig2）。

Figure 2 Engineering a functional cardiac tissue ona shape-memory scaffold.

e/f注射對組織的功能特性無影響。g/h:因為細胞是遠紅外和熒光素酶標記的，觀察發現，外科手術植入和注射的心臟補丁在移植後第7d和14d的發光強度無明顯差別，證明注射該心臟補丁也可達到和手術植入類似的效果。i: CT成像也證明皮下注射的支架可以恢復原來的形狀。j:但是測量支架面積發現，與外科植入相比，注射的支架面積減少了30%，可能是由於不完全的自發伸展造成的（fig3）。

Figure 3 Scaffold and functional cardiac tissuedelivery by injection.

a:皮下移植7d後，HE染色顯示外科植入組和注射組有相似的形態學和細胞結構，但是馬松三色染色法顯示注射組有更少的纖維化。b/c:並且注射組肌鈣蛋白T陽性細胞顯著多於外科植入組。兩組之間的CD31(內皮細胞marker)和SMA（血管平滑肌細胞和肌成纖維細胞marker）水平相當。注射組炎症反應小於外科組（CD163+/CD68+表示宿主的炎症反應）（fig4）。

Figure 4 Subcutaneously injected rat cardiac tissuesexhibit signs of vascularization and cardiomyocyte persistence in a syngeneicrat model.

用鼠的心肌梗塞（MI）模型研究心肌補丁的作用：因為內窺鏡和轉運設備太大，而鼠的胸腔太小，所以只用了外科手術植入法。b：移植5周後，檢測壓力-容積(p - v)循環，與MI組相比，移植組有一個更高的收縮末期容量和更小的左心室容量。c-h:同時，與MI組相比，移植組的心臟射血分數、定容的弛豫時間常數（Tau）、dP/dtmax、dP/dtmin、收縮末期容量和舒張末期容量等指標都得到了顯著提高。i/j:與MI組相比，移植組的心臟有輕微擴大，並且有一個較厚的心臟壁。k:測量兩組的創傷部位厚度也發現，移植組梗塞處壁厚顯著大於MI組（fig5）。

Figure 5 Cardiac patch surgical implantationimproves left ventricular function and gross heart morphology 6 weeks postmyocardial infarction.

因為鋸齒動物和人在心率、體積等方面有很多不同，所以將人心肌細胞嫁接到鋸齒動物模型上有很多限制，因此，作者嘗試用豬模型（人的iPSC分化得到的心肌細胞）。b：嘗試用縫合和用特殊的膠水將補丁固定在心室上，最終選擇用膠水。c: SEM圖證明補丁成功的固定在了豬的左心室上。d：用馬松三色染色法和肌鈣蛋白T等組織學染色法檢測移植後支架上細胞。e/f:肝細胞和平滑肌細胞補丁也可以分別被轉運到肝臟和大動脈（fig6）。

Figure 6 Minimallyinvasive delivery of organ-speci?c engineered tissue patches on the porcineepicardium, liver and aorta.

小結：這篇文獻通過設計一種新型的支架材料，該支架不但可以攜帶心肌細胞修復小鼠心梗模型，還可以在豬模型上修復肝臟和大動脈，為以後人體的組織工程修復提供了素材。

相關工作：Montgomery M，Ahadian S，DavenportHuyer L, et al. Flexibleshape-memory scaffold for minimally invasive delivery of functional tissues.[J].Nature Materials, 2017, 4956.

本期投稿：ZJP

編輯：WJH

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