《Biomaterials Advances》：VEGF-Loaded HANB/F127DA photosensitive hydrogel in combination with exercise training: For improving post-myocardial infarction myocardial remodeling
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心肌梗死（MI）导致心脏纤维化及功能损伤，VEGF促血管生成疗法存在半衰期短、靶向性差等问题。本研究开发HANB/F127DA光交联水凝胶贴片，通过光固化实现材料快速成型，并利用HA甲基酯的醛基与心肌蛋白的氨基形成Schiff碱键增强组织粘附。动物实验证实，该水凝胶可实现VEGF的缓释，促进MI区域新生血管形成，同时联合4周运动训练可协同增强心肌修复，改善心功能。
雷何|王伟学|李青|江宇文|夏珍|夏子荣|李菊香|董全斌
南昌大学第二附属医院心血管内科，中国江西省南昌市民德路1号，330006
摘要
心肌梗死（MI）是导致心力衰竭的主要诱因之一，对人类健康构成重大威胁。同时，心脏的血管结构会受损，其自身的修复能力也明显受限。基于血管内皮生长因子（VEGF）的促血管生成疗法已显示出良好的疗效。然而，这些疗法在直接应用时仍存在疗效方面的显著局限性。本文开发了一种名为HANB/F127DA的水凝胶贴片，用于VEGF的输送。该水凝胶能够持续、缓慢地释放VEGF，而不影响其活性，并具备可调的机械性能和组织黏附能力。体外实验表明，VEGF最初会快速释放，随后进入持续释放阶段，从而促进早期血管生成并防止其消退。将载有VEGF的HANB/F127DA水凝胶施用于Sprague-Dawley大鼠的心肌梗死部位，可以有效刺激新生血管形成、减轻炎症反应、减少纤维化并改善心脏功能。此外，运动训练也被证明可以改善血液循环并促进血管生成。因此，运动训练与这种水凝胶联合使用可能产生协同效应。研究结果表明，HANB/F127DA@VEGF水凝胶与4周运动计划的联合应用可以显著增强心肌梗死大鼠的新血管生成并改善心脏功能。
引言
缺血性心脏病（IHD）是全球主要的死亡原因之一，其中心肌梗死（MI）是主要的临床表现。MI的病理机制涉及冠状动脉血流的突然减少或停止，这由多种原因引起，导致受影响区域的心肌细胞缺血和缺氧。这一过程会引发心脏微环境的变化，最终导致心肌细胞不可逆性坏死和细胞外基质（ECM）的降解[1]、[2]、[3]。在梗死区域会形成密集的纤维化胶原纤维，改变心脏结构和功能，可能引发心力衰竭[4]、[5]。血管内皮生长因子（VEGF）是一种高度特异性的血管内皮细胞增殖剂，可促进内皮细胞增殖和迁移，从而促进新生血管形成，维持血管完整性，并有助于组织修复和再生[6]。大量研究表明，VEGF在改善心肌梗死后心脏功能和促进血管生成方面具有显著效果[7]、[8]、[9]。心肌梗死后，VEGF的表达水平升高，它不仅通过促进血管生成和改善组织血液供应直接参与心肌修复，还通过调节单核细胞浸润和氧化应激间接减少心肌损伤[10]。Yan等人的研究表明，转染了VEGF的巨噬细胞可以进入血管并作为VEGF的载体，靶向缺血性心肌组织以促进新生血管形成并改善心脏功能[11]。在心肌梗死模型中，VEGF产生的自发上调还可能通过激活内皮细胞中的活性氧（ROS）内质网应激自噬轴来诱导血管生成[12]。
然而，VEGF在心肌梗死治疗中的临床应用目前面临多个挑战。VEGF在体内的半衰期极短[13]，导致其在体内迅速降解。此外，VEGF容易扩散到非目标组织，尤其是在心肌梗死区域[14]，且保留能力较差。多项研究表明，给予中低剂量的重组VEGF蛋白由于快速扩散而无法在梗死区域建立足够的有效浓度，因此这些剂量仅能改善梗死区域的血流，而不能显著改善心脏功能。相比之下，高剂量的VEGF则可能导致不良反应，如异常血管生成、出血甚至肿瘤形成[15]。因此，开发时空可控的VEGF输送系统成为治疗心肌梗死的有希望策略。具体而言，使用可生物降解材料实现VEGF的持续释放是一种有效方法，既能延长VEGF的治疗效果，又能减轻其副作用[16]。
水凝胶是一种聚合物生物材料，通过亲水聚合形成三维网络结构，具有与组织ECM相似的物理和化学性质。这些水凝胶不仅为心脏提供结构支持，还作为生物活性物质的药物载体。此外，水凝胶还可以调节自身的降解速率，以与血管生成过程同步[17]、[18]。基于这些特性，水凝胶在心肌梗死治疗中作为促进血管生成的基质展现出巨大潜力。Pluronic F127（也称为Poloxamer 407）是一种两亲性三嵌段共聚物，由聚环氧乙烷（PEO）和聚丙烯氧化物（PPO）组成，其中PEO段具有亲水性，PPO段具有疏水性[19]。F127DA是一种创新的光敏生物材料，通过对Pluronic F127末端羟基进行丙烯酰修饰获得。这种修饰使F127DA具有温度敏感性和自组装能力，能够形成分散在水溶液中的纳米颗粒。这些纳米颗粒表面的双键功能基团可作为交联剂，有助于构建高强度复合水凝胶。这些水凝胶具有优异的机械性能，能够承受较大的应力，在37°C时仅有轻微膨胀。因此，F127DA被广泛用作药物载体，在体内形成稳定、耐用且可控的药物释放库[20]。然而，F127DA缺乏与生物组织建立强相互作用的活性功能基团，导致黏附效果不佳，无法紧密附着在组织表面。
透明质酸甲基丙烯酸酯（HAMA）以其优异的机械性能和生物相容性而闻名。然而，其对湿润组织表面的黏附能力有限，靶向精度不足，限制了其在这些环境中的应用。因此，在心肌组织这种潮湿、动态且持续再生的微环境中，开发具有稳定药物装载性能和优异湿润组织黏附能力的新水凝胶材料成为迫切且关键的研究课题。HANB是一种光敏聚合物，通过将羟基（HA）与对硝基苯酚（NB）结合制备而成。光照后，光解会产生醛基，这些醛基会与组织蛋白质的氨基通过席夫碱反应形成强化学键，确保在湿润组织表面的稳定黏附。此外，HANB有助于与活性物质的结合，并在光激活后稳定交联水凝胶基质。这些特性使其在湿润组织表面的应用具有可靠性[21]。此外，HANB的凝胶化时间较短，更有利于临床操作和后续转化应用[22]。
心肌梗死后，受影响的心肌组织通常无法完全再生，导致心肌功能长期受损。心脏康复（CR）被认为是心肌梗死患者的有效辅助疗法，有氧运动训练是其基础要素[23]。这种治疗方法对于冠心病的综合管理至关重要，并被国际临床指南列为IA类推荐[24]。运动疗法因其安全性、成本效益和有效性而受到越来越多的认可，在心肌梗死患者的康复中得到应用。适当进行运动训练可以改善血液循环和代谢过程，增强心血管功能，促进内源性干细胞的动员和归巢，促进血管生成，改善心肌灌注，调节炎症反应，并减少心肌纤维化。这些效果共同对心肌梗死后的心脏重塑产生有益的抑制作用[25]、[26]。因此，适当运动训练的整合对于改善心肌梗死后的心脏结构和功能至关重要。
在本研究中，我们开发了HANB/F127DA水凝胶作为VEGF的输送系统，并系统评估了该水凝胶释放的VEGF对内皮细胞生物功能和物理化学性质的影响。同时建立了心肌梗死的大鼠模型，并将载有VEGF的HANB/F127DA水凝胶施用于梗死部位，并结合运动训练干预。4周后，评估了这种联合策略对心脏功能和结构的治疗效果。载有VEGF的HANB/F127DA水凝胶不仅可以为心室提供结构支持，还能通过减轻炎症反应促进新生血管形成。将载有VEGF的HANB/F127DA水凝胶疗法与适度运动训练结合使用，可以进一步增强新生血管形成的效果，从而对心肌梗死后的心脏功能改善产生积极影响。本研究为心肌梗死后心脏重塑的改善提供了新的见解。
材料
F127DA（分子量约为15 kDa，DS≥95%）、HANB（分子量约为34 kDa）和光引发剂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰磷酸锂（LAP）均购自LinGel Medical Technology Co., Ltd.（上海，中国）。HUVEC（GNHu23）、H9C2（GNR5）和NIH-3T3（GNM25）购自中国科学院细胞库（上海，中国）。重组人VEGF165蛋白（GB300068-H）购自武汉Servicebio Technology Co., Ltd.（武汉，中国）。
FN水凝胶的表征
为了表征HANB的化学结构，我们首先测量了其取代度。通过1H NMR计算出HANB的取代度为3.3%（图S1）。将水凝胶材料应用于心肌组织修复时，基本要求包括其机械性能与心肌组织相匹配，以及在生理湿润环境中能够稳定黏附于心肌表面。
讨论
利用生物材料来靶向缓释细胞因子是一种新颖且有效的治疗手段，可促进心肌梗死后的血管再生[39]。在本研究中，我们开发了一种能够装载、输送和持续释放VEGF的FN水凝胶，从而延长细胞因子的生物活性持续时间。我们的研究结果表明：（1）载有VEGF的FN水凝胶能够持续释放VEGF，从而促进内皮细胞迁移和血管生成
结论
我们开发了一种新型FN水凝胶，具有可调节的机械性能、快速光交联能力和优异的组织黏附性。体外和体内研究均证明了该水凝胶的生物相容性。此外，该水凝胶可以封装VEGF而不影响其生物活性，并在体内实现其持续释放。这种释放机制促进血管生成，增强心肌梗死后的心脏功能恢复
作者贡献声明
雷何：撰写——初稿，数据整理。王伟学：撰写——初稿，正式分析。李青：监督，实验设计。江宇文：方法学研究。夏珍：监督，软件操作。夏子荣：资源协调，项目管理。李菊香：验证，概念构思。董全斌：撰写——审稿与编辑，资金争取。
伦理要求遵守情况
本研究及包含的实验程序均遵循了所有适用的国际、国家和/或机构关于动物护理和使用的指南。本研究已获得南昌大学动物护理和使用委员会的批准（批准编号：NCULAE-20250901004）。
资金支持
本研究得到了国家自然科学基金（编号：82360084）和江西省自然科学基金（编号：20232BAB216002）的支持。
