该生物材料基于加州大学圣迭戈分校开发的水凝胶。图片来源：David Baillot/加州大学圣迭戈分校
一种设计用于通过血液循环的生物材料可能提供一种侵入性更小的方式来缓解炎症并帮助受损组织自我修复。在动物研究中，这种可注射材料改善了啮齿动物和大型动物因心脏病发作造成的心脏组织损伤。早期的概念验证实验还表明，这种方法将来可能对创伤性脑损伤和肺动脉高压等其他由炎症驱动的疾病有用。
"这种生物材料允许从内而外治疗受损组织，"加州大学圣迭戈分校生物工程学教授、开发该材料的研究团队负责人凯伦·克里斯特曼(Karen Christman)表示，"这是一种再生工程的新方法。"
这些发现于2022年发表在《自然·生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)期刊上，由一组生物工程师和医生报告。当时，克里斯特曼表示，测试该生物材料安全性和有效性的临床人体研究可能在一到两年内开始。
修复心脏损伤的新途径
心脏病发作在美国仍然是最严重的医疗紧急情况之一，每年估计有78.5万例新病例。当流向心脏的血液被阻断时，心肌组织可能受伤或死亡。身体通过形成疤痕组织来应对，但这种疤痕不像健康心肌那样收缩。随着时间推移，这可能会削弱心脏并导致充血性心力衰竭。
目前尚无直接修复心脏病发作后心脏组织的既定疗法。现有治疗主要集中在恢复血流、限制进一步损伤以及管理未来心脏问题的风险。
"冠状动脉疾病、急性心肌梗塞和充血性心力衰竭继续是我们社会今天面临的最沉重的公共卫生问题，"加州大学圣迭戈分校心血管医学部医生瑞安·R·里夫斯(Ryan R. Reeves)博士表示，"作为一名每天治疗冠状动脉疾病和充血性心力衰竭患者的介入心脏病专家，我很希望拥有另一种能改善患者预后并减轻致残症状的疗法。"
从心脏水凝胶到血液灌注
这项工作建立在克里斯特曼团队早期研究的基础上，该研究涉及一种由心肌组织天然支架(也称为细胞外基质)制成的水凝胶。该凝胶设计为通过导管直接递送到受损心肌中。一旦就位，它会形成一种支持性结构，促进细胞生长和组织修复。
2019年秋季报告了该早期水凝胶方法成功的人体1期临床试验结果。该试验发现，心肌注射VentriGel(一种心脏细胞外基质水凝胶)对心肌梗塞后左心室功能障碍患者是安全可行的，尽管需要更大规模的随机研究来测试其是否能改善预后。
然而，直接注射方法有一个重要局限性。因为它需要将针头注射到心肌中，所以通常不能在心脏病发作后立即使用。过早给药可能会增加额外损伤的风险。
这一挑战促使研究人员转向一个不同的想法：一种可以在血管成形术或支架植入等手术过程中注入心脏血管的生物材料，或通过静脉注射给药。
"我们寻求设计一种能够递送到难以触及的器官和组织的生物材料疗法，我们想出的方法是利用血液——已经为这些器官和组织供血的血管，"该论文的第一作者马丁·斯潘格(Martin Spang)表示，他曾在舒·钱-金·雷生物工程系克里斯特曼实验室获得博士学位。
静脉给药的重要性
基于血液的方法为生物材料提供了主要的实用优势。它不会停留在几个注射部位，而是可以在受损组织中更均匀地扩散。这在心脏病发作后可能特别有价值，因为受伤区域可能难以直接到达，而时间至关重要。
《自然·生物医学工程》研究将这种材料描述为一种通过血管内灌注的细胞外基质生物材料，由脱细胞化、酶消化和分级的心室心肌制成。该材料设计为通过与渗漏的微血管结合而定位于受损组织，并在大约三天内大部分降解。
生物材料的制作方法
为了创建可注射版本，克里斯特曼实验室的研究人员从他们已经开发并测试过血液注射兼容性的水凝胶开始。问题是颗粒大小。原始水凝胶含有颗粒太大，无法有效靶向受损、渗漏的血管。
斯潘格通过在离心机中处理水凝胶的液态前体解决了这个问题。这使团队能够分离出较大颗粒，只保留纳米级颗粒。然后对该材料进行透析、无菌过滤和冷冻干燥。当向最终粉末中添加无菌水时，它就变成了一种可通过静脉注射或注入心脏冠状动脉递送的生物材料。
如何定位受损组织
当研究人员在心肌梗塞的啮齿动物模型中测试这种生物材料时，他们预期它会通过渗漏的血管进入受损组织。心脏病发作后，血管内衬的内皮细胞之间可能形成间隙。
相反，团队看到了更令人惊讶的现象。该生物材料附着在那些内皮细胞上，帮助关闭间隙，并似乎加速了血管愈合。这一过程减少了炎症，而炎症是损伤后组织损伤的主要驱动因素之一。
研究人员随后在猪的心肌梗塞模型中测试了该治疗方法，并观察到类似结果。在诱导急性心肌梗塞后接受冠状动脉内灌注的大鼠和猪中，该生物材料与减少的左心室容积、改善的心室壁运动评分以及与组织修复和炎症相关的基因表达变化相关。
超越心脏的潜力
尽管大部分工作集中在心脏病发作损伤上，但研究人员还测试了相同生物材料是否能靶向其他发炎组织。在大鼠模型中，他们发现了该方法可能对创伤性脑损伤和肺动脉高压有用的概念验证证据。
这种更广泛的潜力是这项工作中最引人入胜的部分之一。许多器官和组织难以直接接触，但都由血管供应。如果生物材料可以利用这些血管作为递送途径，再生医学可能能够触及否则难以治疗的损伤。
"虽然本研究中的大部分工作涉及心脏，但治疗其他难以接触的器官和组织的可能性可以将生物材料/组织工程领域扩展到治疗新疾病，"斯潘格表示。
2022年研究后的进展
自原始研究以来，相关工作继续探索细胞外基质生物材料如何影响心肌梗塞后的修复。包括克里斯特曼在内的研究人员于2025年在《自然通讯》(Nature Communications)发表的一项研究利用空间转录组学和单核RNA测序来检查可注射细胞外基质生物材料如何影响心肌梗塞后的心脏组织。该研究在大鼠模型中发现了涉及免疫调节、血管和淋巴管发育、成纤维细胞激活、心肌挽救、平滑肌细胞增殖和神经发生的促修复信号。
后来的这项工作并未取代对血管内生物材料的临床测试需求，但它增加了更多细节，说明这类心脏细胞外基质疗法如何在受伤心脏内部影响细胞和区域水平的愈合。
克里斯特曼共同创立的Ventrix Bio公司也继续推进相关的心脏细胞外基质技术。VentriGel在ClinicalTrials.gov上的列表描述了一项由埃默里大学赞助的针对患有左心发育不全综合征儿童的1期开放标签研究，以评估Ventrix Bio细胞外基质材料心肌注射的安全性和可行性。访问时该列表尚未开始招募。
人体测试的下一步
克里斯特曼和Ventrix Bio计划寻求FDA授权，以在人类中研究这种更新的血管内生物材料用于心脏疾病。如果获准进行临床测试，该疗法需要证明其安全、易于递送，并且有效到足以改善患者预后。
目前，该治疗仍处于实验阶段。但其吸引力显而易见：它可能通过现有的基于血管的手术或静脉注射给药，无需直接注射到心肌中，而是从内部到达受损组织。
"我们治疗严重冠状动脉疾病和心肌梗塞的一个主要原因是预防左心室功能障碍和进展为充血性心力衰竭，"里夫斯医生表示，"这种易于管理的疗法有可能在我们的治疗方法中发挥重要作用。"
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