肽对心脏病发作后心脏组织内的生化信号(绿色)作出反应，自发形成凝胶状物质(红色)，可用于治疗。水凝胶，可以粘在组织上，是由纳米级纤维缠绕在一起(右下角)。对于心脏病发作后存活下来的人来说，事件发生后的几天对他们的寿命和心脏组织的长期愈合至关重要。现在，美国西北大学和加州大学圣迭戈分校的研究人员设计了一种微创平台，可以传输一种纳米材料，将人体的炎症反应转化为治愈的信号，而不是心脏病发作后留下疤痕的手段。
组织工程技术取代或补充心肌梗死后降解的细胞外基质并不是什么新技术，但大多数有希望的水凝胶无法通过微创导管输送到心脏，因为它们堵塞了导管。加州大学圣地亚哥分校西北分校的研究小组展示了一种新颖的方法，通过一根无创导管输送一种生物活性的、可降解的再生物质，而不会堵塞。
这项研究是在大鼠模型中进行的，最近发表在《自然通讯》杂志上。西北大学的Nathan C. Gianneschi和加州大学圣地亚哥分校的Karen Christman是联合调查人员。
Gianneschi说:“这项研究的重点是建立一个动态的平台，其美妙之处在于，现在可以对这个传输系统进行修改，使用不同的化学制剂或疗法。”
Gianneschi是Weinberg艺术与科学学院化学系的Jacob and Rosaline Cohn教授，也是McCormick工程学院材料科学与工程以及生物医学工程学系的教授。
当一个人心脏病发作时，细胞外基质被剥离，取而代之的是疤痕组织，从而降低了心脏的功能。正因为如此，大多数心脏病发作的幸存者都有一定程度的心脏病，这是美国人死亡的主要原因。
“我们试图创造一种基于肽的方法，因为化合物形成纳米纤维，其外观和机械作用非常类似于天然的细胞外基质。这些化合物也是可生物降解和生物相容的。她现在是西北大学材料科学与工程系约翰·罗杰斯实验室的博士后研究员。
“大多数临床策略依赖于直接注入心脏,而是因为这不是一个可行的选择对于人类来说,我们试图开发一个平台,可以通过内或transendocardial导管,“Carlini说,他是一个研究生在Gianneschi的实验室研究。
肽是短链氨基酸，用于治疗。该团队的方法依赖于导管将自组装肽传递到心肌梗死或心脏病发作后的心脏，并最终用于治疗。
西北大学国际纳米技术研究所副所长、辛普森奎雷研究所(Simpson Querrey Institute)成员詹纳斯基(Gianneschi)表示:“我们创造的是一种目标和反应型材料。”
他说:“我们注入一种自组装肽溶液，它能找到一个目标——心脏受损的细胞外基质——然后这种溶液被炎症环境本身和凝胶激活。”“关键是让这种材料创造出一种自我组装的框架，它模仿了将细胞和组织结合在一起的天然支架。”
该团队的临床前研究是在大鼠身上进行的，并分为两个概念验证测试。第一次试验证实，这种材料可以通过导管输送，不会堵塞，也不会与人体血液发生相互作用。第二个实验确定了这些自组装肽是否能够绕过健康的心脏组织，进入受损组织。研究人员制造了一种荧光标记，并将其贴在这些自组装肽上，然后对心脏进行成像，以观察这些肽最终落在何处。
Carlini说:“在以前对响应性纳米颗粒的研究中，我们在心脏病发作区域产生了斑点荧光，但在这个案例中，我们能够看到整个组织中连续存在大量的水凝胶。”
研究人员现在知道，当他们移除荧光标记并用治疗药物替代它时，这些自组装肽将定位到心脏的受影响区域。一个障碍是，在啮齿类动物模型中，导管输送要比在人类模型中复杂得多，因为动物的身体要小得多。这是加州大学圣地亚哥分校克里斯特曼实验室拥有深厚知识的一个领域。
Gianneschi说，如果研究小组能够证明他们的方法是有效的，那么在临床试验方面就有了“一条相当清晰的道路”。然而，这一过程将需要数年时间。
Carlini说:“我们从2012年开始研究这种化学反应，我们付出了巨大的努力来制造一个模块化的、综合起来很简单的平台，能够可靠地凝胶化炎症环境。”“当我们开发出受空间限制的环状肽时，一个重大突破发生了。环状肽在分娩过程中可以自由流动，当它们与疾病相关的酶接触时，就能迅速组装成水凝胶。”
通过像弹簧一样的开关编程，Carlini能够展开这些天然的环状化合物，从而创造出一种表面积更大、粘性更强的扁平物质。这个过程为肽创造了条件，使肽能更好地自组装，或堆叠在一起，形成与天然细胞外基质非常相似的支架。
Gianneschi的实验室已经证明了该平台在特定疾病相关酶存在的情况下激活的能力，同时也在外周动脉疾病和转移性癌症中验证了类似的方法，每一种方法都会产生类似的化学和生物炎症反应。
《自然通讯》杂志发表的论文题为“酶促反应促凝剂环肽用于心肌梗死后心脏的微创递送”。
这项研究由美国国立卫生研究院(NIH)主任变革性研究奖(R01HL117326)、美国国家心肺血液研究所(R01HL139001)和美国空军科研办公室(FA9550-16-1-0150)资助。
全球营销与传播科学与工程编辑梅根·费尔曼和研究办公室出版物编辑罗杰·安德森为本文做出了贡献。
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