《Nano Today》：Carrier-free self-assembly of choline chloride-ammonium glycyrrhizinate hydrogel for myocardial infarction microenvironment regulation
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心肌梗死（MI）后心肌微环境的持续破坏是心力衰竭的重要机制。本研究通过网络药理学和计算化学筛选出具有协同作用的胆碱盐（ChCl）和甘草酸铵（AG），构建了新型无载体自组装水凝胶体系。该水凝胶通过多尺度表征技术（FT-IR、SEM、流变学）揭示了其氢键、疏水相互作用及静电作用的协同自组装机制，并首次利用冷冻电镜观察到近天然交织纤维网络结构。体外实验表明该凝胶可显著降低氧化应激水平（SOD活性提升37.2%，MDA含量下降42.5%），诱导M1型巨噬细胞向M2型极化（IL-6减少58.3%，IL-1β降低72.9%），同时激活Nrf2/HO-1通路增强内源性抗氧化能力。体内模型证实该凝胶能促进心肌修复（左室射血分数提升29.6%），并具有长效缓释特性（药物释放持续达28天）。转录组学分析显示其调控了心肌结构、收缩力、能量代谢及心血管疾病相关通路。该研究为开发精准调控心肌微环境的生物材料提供了新范式。
作者：邱晓中、侯宏浩、詹建棉、马月、王鹏奇、蒲春义、钟林芳、周晓中、潘文辉
南方医科大学第五附属医院，中国广东省广州市510900
摘要
心肌梗死（MI）导致的心肌微环境持续破坏是引发心力衰竭的关键机制之一。在体外精确调控这种病理微环境已成为改善MI预后和延缓心力衰竭进展的重要策略。在本研究中，我们制备了无载体的氯化胆碱（ChCl）-甘草酸铵（AG）自组装水凝胶。首先，通过网络药理学结合大数据分析预测了ChCl和AG的协同治疗效果。随后，利用FT-IR、SEM和流变学等多尺度表征技术分析了凝胶系统的结构特征。分子动力学和量子化学计算表明，疏水性、静电作用和氢键相互作用共同驱动了自组装过程，而冷冻SEM首次揭示了接近天然状态的互穿片状纤维网络。在体外MI模型中，ChCl-AG自组装水凝胶减少了氧化应激，使巨噬细胞从促炎型M1转变为修复型M2，增强了内源性抗氧化酶活性，并下调了促炎细胞因子，从而维持了微环境的稳态并提供了心脏保护。转录组学分析显示，该水凝胶对与心脏结构、收缩力、能量代谢和心血管疾病相关的通路具有正向调节作用。在体内MI模型中，ChCl-AG自组装水凝胶显著促进了心肌修复和功能恢复，同时表现出良好的生物相容性和持续释放特性。总体而言，这种无载体ChCl-AG自组装水凝胶为调控MI后的炎症和氧化失衡提供了精确的策略，促进了心肌修复，并具有广阔的生物医学潜力。
引言
心肌梗死（MI）是心血管疾病导致全球死亡和残疾的主要原因之一，长期以来一直是医学研究的重点，尤其是在其病理机制和治疗策略方面[1]。从病理生理学的角度来看，MI会引发一系列复杂的事件：初始的缺血和缺氧导致心肌细胞坏死，随后激活炎症反应，进一步加剧心室重构和功能恶化[2]。在此过程中，氧化应激和炎症反应形成了一个恶性循环，严重加重组织损伤[3]。活性氧（ROS）的过度产生直接损伤心肌细胞，并激活NF-κB等促炎通路，进一步放大组织损伤[4]。同时，持续的炎症会促进ROS的生成，形成有害的正反馈循环[5]。传统的MI药物治疗主要包括抗血小板药物（如阿司匹林）、β-阻滞剂和血管紧张素转换酶抑制剂[6][7][8]，这些药物主要通过改善血流动力学或抑制血栓形成来缓解症状。然而，这些药物在心肌修复和微环境调控方面的效果有限[9]。随着对MI病理学的深入了解，治疗策略正从单纯的“血流重建”转向“微环境调控+组织修复”的多方面综合方法[10][11]。例如，我们的研究小组开发了一种基于miRNA的递送系统（P-MSN/miRNA纳米颗粒），用于缺血后心肌细胞的重编程，以增强收缩力和防止细胞凋亡[12]。在这方面，生物材料，特别是动态响应的自组装水凝胶，展现了独特的优势[13]。例如，Tang等人实现了通过酶调控的Hofmeister效应介导的超分子凝胶自组装，从而实现对材料形成的精确时空控制[14]。这类凝胶可以作为“人工细胞外基质”，通过其内在的生物活性或负载的治疗剂提供结构支持和病理微环境调控[15]。通过打破ROS-炎症的恶性循环，这些材料为心肌修复创造了有利于再生的环境[16]。
自组装水凝胶是一类通过非共价相互作用（如氢键、疏水效应和π-π堆叠）自发形成三维网络结构的功能性材料，近年来在生物医学应用中受到了广泛关注[17][18]。这些材料具有独特的动态可逆性、优异的生物相容性和可调的物理化学性质，使其成为药物递送和组织工程的理想候选材料[14][19]。从分子设计的角度来看，自组装水凝胶的形成机制涉及复杂的分子间相互作用网络，这些网络共同决定了材料的最终结构和功能特性[20]。研究人员基于肽、多糖、合成聚合物等构建了多种自组装水凝胶系统，在伤口愈合、神经再生等领域取得了显著进展[21][22][23][24]。例如，吴等人利用肽自组装技术制备了一种对颗粒酶B（GrB）有响应的凝胶佐剂系统，将其注射到肿瘤切除后的腔内以实现个性化的辅助免疫治疗[22]。周等人系统研究了基于肽的超分子凝胶中的层次化手性对免疫反应和神经系统神经修复的调节作用[25]。然而，自组装水凝胶在MI治疗中的应用仍然具有挑战性[26]。MI后的心肌微环境非常复杂，涉及缺氧、氧化应激、炎症反应和细胞外基质（ECM）重构等相互交织的病理过程[27]。理想的治疗凝胶应具备以下特性：（1）机械性能模仿天然心肌ECM；（2）可控的降解动力学；（3）对治疗因子的刺激响应性释放；（4）能够调节细胞行为[15]。尽管有一些研究探索了水凝胶在MI中的应用，但精确分子工程化的自组装水凝胶系统，尤其是针对MI后微环境特征进行系统研究的系统非常少[28]，特别是在其组装机制与生物功能之间的关系以及其对病理微环境的动态调控作用方面。
氯化胆碱（ChCl）是一种天然存在的季铵盐，在体内参与多种关键生理过程[29]。其药理作用主要体现在三个方面：（1）作为乙酰胆碱的前体，ChCl通过胆碱能系统调节自主神经系统功能[30]；（2）作为甲基供体，参与磷脂代谢，影响细胞膜完整性和信号转导[31]；（3）最新研究表明其具有抗炎[32]和抗氧化[33]作用，有望缓解缺血-再灌注损伤。在MI背景下，这些特性特别有价值，因为它们可以抑制炎性小体的激活，减少促炎细胞因子（如IL-1β）的释放，同时上调抗氧化酶表达，减轻氧化应激损伤[32][33]。然而，ChCl单药治疗存在局限性，如治疗靶点相对狭窄和体内半衰期较短，限制了其治疗效果。甘草酸铵（AG）是甘草的主要活性成分，具有多种药理活性[34]。其主要机制包括：（1）通过抑制NF-κB和MAPK信号通路发挥抗炎作用[35]；（2）通过清除自由基和上调Nrf2/HO-1通路增强抗氧化防御[36]；（3）通过调节CXCR4/SDF1和TGF-β/p38MAPK信号轴抑制心肌纤维化[37]。AG对梗死后过度激活的炎症反应具有多靶点调控作用，同时影响炎症的启动、放大和消退阶段[38]。然而，其临床应用受到水溶性差和生物利用度低的限制[39][40]。理论上，通过自组装策略构建ChCl-AG复合凝胶系统可以实现多种协同效应：（1）从药效学角度来看，它们的抗炎和抗氧化作用可能相互增强；（2）从药代动力学角度来看，凝胶系统可以延长药物保留时间并实现可控释放；（3）从材料角度来看，两种成分之间的分子相互作用可能产生具有新功能特性的新型组装结构。这种基于天然分子的自组装方法避免了合成材料可能带来的毒性，通过分子协同作用实现了功能优化，为MI的治疗提供了一种有前景的新策略。
本研究提出了构建ChCl-AG自组装水凝胶系统，以开发一种能够主动调节MI微环境的新治疗材料。我们采用跨学科研究策略，整合了材料科学、计算化学和分子生物学的方法。通过系统的成分筛选和工艺优化，成功制备了具有最佳物理化学性质的自组装水凝胶系统。利用先进的表征技术和理论模拟进行的机制研究表明，疏水性相互作用、静电作用和氢键网络共同驱动了ChCl-AG系统的动态自组装过程。值得注意的是，冷冻电子显微镜成功捕捉到了凝胶的接近天然状态的纳米结构特征，为理解其结构-功能关系提供了直接的视觉证据。在生物学评估中，我们建立了模拟临床病理条件的体外和体内MI模型，并利用高通量转录组学全面阐明了ChCl-AG自组装水凝胶对心肌细胞的心脏保护机制。这项工作为自组装水凝胶的结构设计建立了新的范式，为开发具有微环境调控能力的新心肌修复材料奠定了坚实的理论基础，具有重要的科学价值和临床潜力。
材料
氯化胆碱（ChCl，纯度>98%）和甘草酸铵（AG，纯度>98%）均购自上海宇源生物科技有限公司（图S1）。过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和丙二醛（MDA）检测试剂盒均购自北京索莱博科技有限公司。肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）和白细胞介素-1β（IL-1β）酶联免疫吸附测定（ELISA）试剂盒购自上海酶公司
ChCl和AG调节MI微环境的网络分析
使用Cytoscape 3.8.2软件（网址：
https://cytoscape.org/download.html）构建了ChCl和AG在MI治疗中的“C-T-P”（化合物-靶点-通路）网络。该网络揭示了ChCl和AG在MI中的治疗机制。该网络包含42个节点和96条边，节点代表化合物、靶点和信号通路。节点之间的关联由边表示，这些关联的程度...
结论
本研究系统研究了无载体ChCl-AG自组装水凝胶系统对MI微环境的调控作用。首先，网络药理学和分子对接分析表明，ChCl/AG能够特异性结合关键靶点，包括NFKB1和KDR，从而调节与MI相关的炎症反应和血管生成通路。多尺度表征技术揭示了疏水性相互作用的协同效应...
CRediT作者贡献声明
邱晓中：监督、资金获取。
侯宏浩：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
蒲春义：方法学、研究。
钟林芳：方法学、研究。
马月：方法学、研究。
王鹏奇：方法学、研究。
潘文辉：撰写 – 原稿、方法学、研究、形式分析。
詹建棉：撰写 – 审稿与编辑、方法学。
利益冲突声明
作者声明没有竞争性财务利益。
致谢
本工作得到了中国博士后科学基金（项目编号：2025M783929）和国家自然科学基金（项目编号：32371410、52003113）的支持。
