彭慧胜&李毅刚Adv.Mater：高度取向性碳纳米管薄膜引导心肌细胞取向生长并降低心肌组织的电生理异质性研究

【背景介绍】

心肌梗死是由冠状动脉持续性闭塞引起的，造成下游心肌缺血坏死。坏死的心肌细胞逐渐被纤维瘢痕组织取代，导致心室结构重构和电重构，最终发生梗死后心力衰竭。纤维瘢痕组织不具有正常心肌组织的电紧张扩布能力，使心肌的电生理特性出现异质性分布，如心肌复极异常和传导速度的不均一。电生理异质性是心律失常发生的重要基质，随着病情发展常常导致致命的恶性心律失常，甚至猝死。尽管目前有一些优化的治疗策略，如早期再灌注和积极的药物治疗，梗死后心力衰竭和恶性心律失常仍然是难以避免的临床挑战。利用新型纳米材料作为细胞体外培育骨架的心脏组织工程技术，被认为是一种很有应用前景的修复受损心肌的方法。然而，心肌细胞体外培育尚难以完全模拟天然心肌的取向分层结构，及实现电信号的快速传导和心肌同步收缩。

【成果简介】

近日，复旦大学彭慧胜教授、上海交通大学医学院附属新华医院李毅刚教授（共同通讯）科研团队合作研究了高度取向性碳纳米管薄膜（SA-CNTs）在培养心肌细胞，模拟天然心肌的排列结构和电脉冲传导行为中的作用。SA-CNTs不仅可诱导体外培养的心肌细胞取向生长，而且还提供了一种高效的细胞外电信号传递通路，以实现心肌细胞的同步收缩。此外，SA-CNTs能降低单个心肌细胞不同搏动之间以及不同心肌细胞间的复极离散度，这对工程化心肌组织的正常搏动节律至关重要，显示出减少心肌梗死相关心律失常发生的潜力。最后，该研究制备了基于取向碳纳米管薄膜的单片式柔性电极，并演示了其多点同步起搏功能。相关成果以题为“Superaligned Carbon Nanotubes Guide Oriented Cell Growth and Promote Electrophysiological Homogeneity for Synthetic Cardiac Tissues”发表在Advanced Materials上。

【图文导读】

图1通过SA-CNTs模拟天然心肌结构

a）浅层，中层和深层心肌具有不同方向的取向结构

b）柔性的三层SA-CNTs薄膜

c）SA-CNTs表面SEM图像

d）SA-CNTs引导心肌细胞生长并提供电信号传输通路示意图

e）热重分析显示SA-CNTs中金属催化剂残留非常少

f）SA-CNTs上生长的心肌细胞凋亡评估

g）SA-CNTs对比细胞培养专用玻璃片，心肌细胞凋亡情况对比

图2通过SA-CNTs培育的心肌细胞的同步收缩行为及其电生理特征

a，c）体外培养4天后在玻璃片（a）和SA-CNTs（c）上的心肌细胞光学显微镜照片

b，d）选取玻璃片上三个互相孤立的细胞簇，记录其自发收缩情况，呈现出节律紊乱和非同步性（b），选取SA-CNTs上三个互相孤立的细胞簇，记录其自发收缩情况，呈现出规律的同步收缩（d）

图3基于SA-CNTs的柔性单片式电极可用于心脏再同步治疗

a）SA-CNTs上培养的互相孤立的心肌细胞细胞簇示意图

b）通过SA-CNTs对a）中的心肌细胞簇实施同步起搏

c）体外模拟基于SA-CNTs的单片式电极多点同步起搏功能，对三个离体乳鼠心脏实施同步起搏。对比高导电材料ITO玻璃，后者因为发生短路导致同步起搏失败。

【小结】

该研究表明SA-CNTs可以有效地引导体外培育心肌细胞的取向性生长，为其提供有效的信号传导通路，同时在电刺激的辅助作用下，可增加相邻心肌细胞间连接蛋白CX43的表达，改善细胞间的信号传导，实现SA-CNTs上心肌细胞的同步收缩。此外，SA-CNTs能降低单个心肌细胞不同搏动之间和不同细胞间的复极离散度，显示出减少心肌梗死相关心律失常的潜力。最后演示了SA-CNTs单片式柔性电极的多点同步起搏功能。这些结果表明基于SA-CNTs的心脏补片在梗死后心肌修复，尤其是在伴随心力衰竭患者的再同步化治疗中具有良好的应用前景。

文献链接：Superaligned Carbon Nanotubes Guide Oriented Cell Growth and Promote Electrophysiological Homogeneity for Synthetic Cardiac Tissues（Adv.Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201702713）

本文由材料人生物材料组Allen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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