《Advanced Healthcare Materials》：Coaxially Electrospun Myocardial dECM- Based Nanofibrous Scaffolds Demonstrate Enhanced Cardiomyocyte Biocompatibility
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成熟心肌细胞(CMs)再生能力有限，使得心肌修复极具挑战，亟需有效可行的替代方案以弥补传统心脏移植的不足。心脏组织工程(CTE)是一种结合细胞、支架与生长因子的策略，旨在体外构建功能性心脏组织。诱导多能干细胞(iPSCs)为心脏再生医学带来重大突破，可提供持续
成熟心肌细胞(CMs)再生能力有限，使得心肌修复极具挑战，亟需有效可行的替代方案以弥补传统心脏移植的不足。心脏组织工程(CTE)是一种结合细胞、支架与生长因子的策略，旨在体外构建功能性心脏组织。诱导多能干细胞(iPSCs)为心脏再生医学带来重大突破，可提供持续的CMs来源，然而对其微环境认知不足限制了临床转化研究。心肌来源的脱细胞细胞外基质(dECM)因具备组织特异性组成、力学特性及促进细胞再生的生化信号，被视为心脏组织工程极具前景的天然支架材料。本研究针对iPSC衍生的CMs应用，开发基于心肌dECM的纤维支架。研究人员优化制备了以聚氨基甲酸酯为芯层、聚己内酯与心肌dECM共混物为鞘层的同轴电纺纳米纤维。形态学分析证实该纳米纤维结构与天然dECM中的胶原纤维相似。衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)与免疫染色结果验证了dECM的存在，并显著提升了支架亲水性与酶降解性能。生物相容性实验表明，富含天然蛋白的微环境可增强iPSC-CMs的表型维持；而不含心肌蛋白的支架则导致iPSC-CMs去分化程度升高，证明ECM蛋白可为iPSC-CMs提供适宜微环境。
本研究发表于《Advanced Healthcare Materials》，聚焦于解决心肌再生能力受限及现有心脏组织工程支架难以模拟天然心肌微环境的难题。成熟心肌细胞几乎丧失增殖能力，心梗后瘢痕形成进一步损害心功能，而传统心脏移植受限于供体短缺。尽管诱导多能干细胞(iPSCs)为获得大量患者特异性心肌细胞提供了可能，但缺乏能够支持其表型稳定与功能成熟的仿生支架材料，成为阻碍其临床应用的核心瓶颈。天然心肌脱细胞细胞外基质(dECM)保留了复杂的组分与结构信号，但单纯dECM支架力学性能不足，合成聚合物支架则缺乏生物活性。为此，研究人员采用同轴电纺技术，构建了以弹性聚氨基甲酸酯(PU)为芯层、生物活性的聚己内酯(PCL)/心肌dECM共混物为鞘层的复合纳米纤维支架，旨在通过“强韧芯层+生物活性鞘层”的设计，兼顾支架的力学支撑与生物功能。
关键技术方法包括：首先采用优化的化学-酶法从猪心肌组织制备dECM粉末；随后配制芯层PU溶液与鞘层PCL/dECM共混溶液，通过调节电压、流速与接收距离优化同轴电纺工艺，同步制备无鞘层dECM/PCL纤维与无dECM的PU-PCL同轴纤维作为对照；利用透射电子显微镜(TEM)与扫描电子显微镜(SEM)表征纤维形貌与尺寸，通过ATR-FTIR光谱与免疫荧光染色验证鞘层组分；采用接触角测试评估亲水性，拉伸试验机测定力学性能，并结合胶原酶与脂肪酶体外降解实验分析降解行为；最终将分化第12天的iPSC衍生的心肌细胞(iPSC-CMs)接种于支架，通过活死染色、免疫荧光染色(α-actinin、cTnT)及实时荧光定量PCR(RT-qPCR)评估细胞活力、表型维持与基因表达。
研究结果如下：
2.1 三种电纺纳米纤维的结构与形态分析
通过TEM图像确认PU-dECM/PCL纤维具有清晰的芯鞘分界，而dECM/PCL纤维截面均一。SEM显示三组纤维均连续均匀，含dECM的纤维平均直径分别为551±19 nm(PU-dECM/PCL)与486±17 nm(dECM/PCL)，均处于天然胶原纤维尺度范围；含dECM的纤维孔隙率显著高于纯合成纤维，为细胞浸润提供空间。
2.2 三种电纺纳米纤维的组成分析
ATR-FTIR光谱显示PU-dECM/PCL纤维同时具备PCL特征峰(1725 cm?1酯羰基)与dECM特征峰(1653 cm?1酰胺I带、1540 cm?1酰胺II带)，且3302 cm?1处N-H伸缩振动峰消失，证实dECM位于鞘层且无芯层PU泄漏。免疫荧光染色进一步在PU-dECM/PCL纤维表面检测到胶原I、胶原III、弹性蛋白、纤连蛋白与层粘连蛋白的阳性信号。
2.3 三种电纺纳米纤维的表面亲水性表征
含dECM的PU-dECM/PCL与dECM/PCL纤维接触角均低于90°(顶部分别为82.85°±1.5°与79.92°±1.6°)，呈亲水性；不含dECM的PU-PCL纤维接触角高达约130°，呈疏水性，证明dECM显著提升支架亲水性。
2.4 三种电纺纳米纤维的力学性能表征
含dECM的纤维杨氏模量显著高于纯合成PU-PCL纤维，其中dECM/PCL模量最高(16.08±1.93 MPa)，PU-dECM/PCL模量(9.57±2.09 MPa)降低约40%，断裂伸长率介于两者之间，实现了强度与弹性的平衡。
2.5 三种电纺纳米纤维的酶降解行为分析
体外酶降解实验显示，含dECM的纤维从第7天开始出现表面裂纹与质量下降，dECM/PCL纤维在28天内基本完全降解，PU-dECM/PCL纤维降解速率减缓，残留约20%质量，表明芯层PU延缓了整体降解。
2.6 iPSC-CMs在三种电纺纳米纤维支架上的细胞毒性分析
活死染色显示，培养7天后，PU-PCL支架上的iPSC-CMs呈现成纤维样 elongated 形态，提示去分化；而含dECM的支架上细胞保持典型心肌细胞的圆形聚集形态，存活率与组织培养聚苯乙烯(TCPS)对照组相当。
2.7 iPSC-CMs在三种电纺纳米纤维支架上的免疫细胞化学(ICC)分析
免疫染色显示，含dECM支架上的iPSC-CMs高表达心肌特异性标志物α-actinin与心肌肌钙蛋白T(cTnT)，且肌节结构排列更有序；定量分析表明PU-dECM/PCL支架的心肌细胞占比显著高于PU-PCL支架，dECM/PCL支架的cTnT荧光强度最高。
2.8 iPSC-CMs在三种电纺纳米纤维支架上的基因表达分析
RT-qPCR检测9种心肌相关基因(MYH7、TNNT2、ACTN2等)的表达，各组间无统计学显著差异，但含dECM支架的GJA1(连接蛋白43)表达呈上调趋势(p=0.0912)，提示潜在的缝隙连接改善作用。
讨论部分指出，同轴电纺成功实现了dECM的生物活性与合成聚合物的力学优势的结合。dECM鞘层提供了关键的细胞黏附位点与生化信号，抑制iPSC-CMs去分化；PU芯层有效降低了纯dECM纤维过高的刚度，使其更接近天然心肌的力学环境。虽然基因表达未达显著差异，但蛋白水平与形态学的改善已充分证明该支架的适用性。研究结论强调，这种芯鞘结构设计不仅解决了dECM加工难与力学性能差的矛盾，还为多功能心脏补片的开发提供了平台，未来可通过调整dECM含量或引入导电组分进一步优化。该研究为构建仿生心肌组织工程支架提供了新的可行策略。
