心肌梗死

    心肌梗死后造成的心力衰竭在西方国家一直是第一位的死亡原因。2012年，美国预计有785000 例心肌梗死新发患者，470000 例患者复发心肌梗死。近些年来，虽然初发心梗患者的死亡率下降了，但大约三分之二的患者未能完全恢复，导致罹患心力衰竭的患者数量不断上升。然而到目前为止，尚无有效的办法来预防心梗事件后的左心室心肌重塑及其负面效应。对终末期心力衰竭的有效治疗仍然停留在心脏移植和左心室辅助，然而这两种措施都有很大的副作用和局限性。一方面是心梗和心力衰竭的发病率在持续增加，另一方面是治疗措施的匮乏且疗效不佳，这使得寻找和发展能有效治疗心梗和心衰的新方法迫在眉睫。

    今年8月份的《科学—转化医学》期刊发表了一篇令人振奋的报道。美国加州大学的林博士介绍了一种使用自身排列纳米纤维片层和血管内皮细胞生长因子的联合注入疗法，在小动物和大动物心肌梗死模型中进行试验。试验表明，在心梗的心肌损伤处注射含带血管内皮生长因子的自身排列纳米纤维片层后，在局部就创建了一个非常适合生长和修复的微环境，同时能够募集内源性的细胞而修复坏死的心肌。

    心肌梗死诱发的心力衰竭是一个进行性过程。首先是局部心肌细胞坏死，接着在局部诱发了炎症反应，细胞外基质降解，最后在局部形成没有收缩功能的疤痕组织。研究证明心肌细胞坏死往往导致左心室发生负面的重新塑型，致使心室壁的张力增加。随之而来的分子、细胞和生理水平的后遗效应使得左心室扩张，最终发生心力衰竭。目前应用最广泛的对抗心肌细胞坏死的试验方向是心肌细胞移植——在心肌梗死或者邻近区域注入移植的心肌细胞，其机制是通过激素旁泌性而募集自身内源性细胞到坏死区域进行修复，以达到治疗心衰的目的。此种方法在一些动物模型取得了成功，许多临床试验也在进行中。在2012年末或2013年初有几个利用骨髓衍生细胞移植治疗心梗的三期临床试验也将开始施行。尽管有希望，但由于有限的移植细胞来源、移植细胞的低存活率，以及改善不大的心脏功能，此种方法仍需持谨慎态度。

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新的生物材料

    主要有两个原因导致了移植细胞存活率很低。其一，细胞是被注射到一个缺血的区域；其二，移植细胞需要克服失巢凋亡（又叫抗脱落凋亡）现象。组织工程技术和生物片层材料的发展为克服上述困难提供了新的治疗前景。这些生物材料可以以补丁块或者液体注入的方式应用到心脏，促进移植细胞的存活，促进宿主细胞的聚集而修复局部损伤。它们也可以作为载体把生长因子或其他治疗药物精确输送到治疗部位，如前述林博士就利用此片层材料将血管内皮生长因子送到小鼠心肌坏死区并在局部保留14天以上。与可注射材料相比，补丁块生物材料有更好的三维结构控制能力，使得移植细胞能够有序排列，但这需要通过手术将生物材料放置到心脏的表面。而可注射生物材料可以通过动脉导管传送（见下图），创伤小并且病人无需全身麻醉，术后恢复快，减少了术后感染的机会。

    几种可注射的生物材料已经在心梗动物模型中做了实验，证明可以有效地修复缺血坏死的心肌。这包括自身骨髓单核细胞通过生物材料注射到猪的心梗区域，血小板衍生的生长因子注射到小鼠的心脏。林博士通过比较心梗动物模型试验中的不同时间点、多种移植细胞类型、不同粘附分子的表达、不同生物片层材料以及与血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）的结合等因素，更深层地分析了心脏功能改善的机制。

    VEGF通过纳米纤维片层输送到心肌坏死区域后，可以招募自身内源性细胞到坏死局部，包括新生血管细胞、循环的骨髓细胞、小的心肌纤维样细胞和肌成纤维细胞。通过多肽纳米纤维片层输送VEGF，可以在坏死的周边邻近区域增加小血管的密度，而且与多个对照组包括单独注入生理盐水、单独注入纳米纤维片层或单独注入VEGF相比，均有显著差异。值得注意的是，通过对心脏功能指数的分析，动脉血管的再生对心梗动物模型心脏功能起主导作用。小鼠的体内实验显示，无论是否使用VEGF或者纳米纤维片层，在注射成纤维细胞三天后都可观察到这些细胞的存留。但VEGF联合纳米纤维片层组，在注射十四天时的成纤维细胞存留情况优于其他组，这得益于纳米纤维片层创造的微环境和新生的小动脉血管。进一步的研究表明，血液循环中的骨髓单核细胞浸润是由β2整合素粘合作用所调控的。过去一直认为，包括纳米纤维片层在内的注射材料在损伤局部募集了肌钙蛋白阳性心肌样细胞，但林博士的试验通过基因图谱研究发现这些心肌样细胞是新形成的，来源于干细胞，而不是从已经存在的心肌细胞分化而来；试验同时也表明，多肽纳米纤维片层能够在心梗坏死区为干细胞提供一个适宜的生存环境而促进内源细胞的再生。

    除了对此VEGF疗法的细胞学分析，林博士进一步评估了VEGF引起的微血管漏出效应，比较了单独注射VEGF和VEGF联合纳米片层注射的微血管漏出的差异。他们在其它器官的研究发现，单独注射VEGF引起了严重的微血管漏出反应，而联合注射VEGF和生物纳米片层材料有效地防止了此副反应。这种安全性的研究对于将此种方法用于临床非常关键而且是必须的。最后，林博士将他们在啮齿动物的试验应用到了猪的心梗模型并取得了类似的结果。然而结果也表明，与单独应用VEGF相比，VEGF联合生物纳米片层疗法在心脏功能和左心室容量的改善方面并没有显著差异，但较生理盐水和单独生物纳米片层组有明显改善；同时结果显示，VEGF联合生物纳米片层组的坏死区域相比所有对照组都显著缩小。此外，考虑到生物纳米片层材料能有效阻止VEGF的系统性微血管漏出副反应，VEGF联合纳米片层材料方法可以使用更大剂量范围的VEGF。

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时间就是生命

    当为心肌梗死和心力衰竭病人设计、试验和转化一种新的治疗方法时，有几个重要的因素需要充分考虑，而其中最重要的一点就是时间——时间决定了一切。在林博士的试验中，心梗发生后马上给予注射疗法，这意味着炎症反应和心室重塑尚未发生。在心梗事件发生后的第一周，局部的炎症环境和基质金属蛋白酶与细胞外基质的降解密切相关；因此，在心梗发生后直至一星期内立即给予注射治疗，会使局部注射的生物材料特别是自然衍生的材料被提前降解，从而影响疗效。早期注射治疗给病人带来的另一个安全隐患是此阶段心室壁尚不稳定。过了这个早期时间点直到心梗后几个星期，心脏会发生一个负面的重塑型过程；再过几周，纤维疤痕最终形成。因此，治疗方法必须仔细斟酌和设计，既能预防心梗急性和亚急性期患者发生左心室心肌重塑，又能使在慢性期逆转已经形成的左心室心肌重塑。很显然，不同阶段的病人有不同的最理想疗法。所以在设计不同时间点的心梗动物模型的治疗方法时，应尽可能与临床实际状况一致，从而达到最佳治疗效果。

    试验设计另外一个重要的因素是试验终点的选择。截至目前，无论细胞疗法还是生物材料注射疗法，成功应用在病人身上的治疗方法都把对心脏功能的观察延长到了治疗实施后两个月，以保证疗效不是一个短期效应。可降解的生物材料注射后，观察点应该考虑其降解的时间点。在林博士的试验中使用的纳米生物片层材料，注射后一个月时仍有大约70%的材料存在；所以为了观察其心脏功能改善的效果，其临床试验设计应该将观察终点设定在注射后28天。

转化医学

    将可注射生物材料的心肌梗死治疗方法转化到临床实际应用之前，必须有足够数目的心梗大动物模型的试验，但到目前此类试验还非常缺乏。林博士和同事们的工作迈出了坚实的一步，他们应用心脏表面注射的方法将纳米生物片层材料在猪心梗模型作了试验。如果此种生物材料能够通过微创方法转化应用到临床病人，动脉导管技术和材料的血液相容性是关键所在。通过动脉导管直接注射到心脏很复杂且不是常规的操作方法，而且，并不是所有注射材料都能兼容。这种方法需要多次注射或者冠状动脉内直接注射，这就要求注射材料只能在被注射到组织后胶化，而且要有很好的血液相容性以免出现血栓或者下游栓塞。截至目前，只有两种材料被应用到了大动物模型：冠状动脉内注射的藻蛋白酸盐和心内膜注射的心肌细胞外基质衍生物水凝胶。藻蛋白酸盐已经通过导管在一个相对延迟的时间点成功地应用在一个小样本的临床I/II试验（NCT00557531），最近一个II期临床（NCT01226563）也已经启动。

    将生物纳米片层材料成功转化到临床应用，除了需要相关的临床前试验，还需要生产此材料的过程符合GMP要求。对此，多肽纳米纤维一类的合成材料具有一定优势，不同批次的产品一致性容易保持。而林博士介绍的材料不仅仅是一个合成材料，因为其中还含有VEGF，所以在应用到临床病人前，还需要做毒理试验以确定VEGF的最大使用剂量。

结束语

    总而言之，含VEGF 的纳米纤维片层材料技术不乏闪光点，其初期的试验结果给心梗患者带来了令人振奋的消息。相信随着试验的进一步开展，此项技术在不久的将来能够转化而应用到临床病人。

（作者：罗全伟、沈颖）

参考文献：《Science Translational Medicine》2012;4(146)