心脏组织工程在临床应用的研究进展

由于心脏组织的再生能力有限，心脏组织受损几乎是永久性的。目前，治疗心脏损伤的长期策略依赖于心脏移植，然而心脏供体的数量远远低于患者总数，严峻的形势迫使研究者努力开发恢复受损组织的生物和物理特性的方法。目前，临床已经引入了多种新型的心脏再生的方法，包括将干细胞、生长因子、多肽和生物材料注射到心肌中，以及生成体外组织工程心脏贴片以取代部分受损的心肌组织。然而，这些方法对心脏结构和功能的修复极其有限，因此心脏组织工程的发展面临着严峻的考验。[33]

石墨烯及其衍生材料可以促进间充质干细胞向心肌细胞方向分化，通过与传统心脏组织工程材料结合，有望显著提高心脏组织工程材料的机械韧性和导电能力，因此其可以作为心脏再生组织工程的良好材料或辅助材料。[34，35]有文献报道在小鼠的心肌梗死模型中，与单独地注射hMSC或rGO相比，植入rGO-hMSC纳米复合颗粒显著改善了心脏修复水平和功能，这种方法不仅可以精准地将纳米颗粒和细胞注入损伤部位，还能够利用rGO的载药能力，持续递送药物。[36]将石墨烯材料与水凝胶支架复合可以改善其机械性能和导电能力。机械性能可调且导电的GO／甲基丙烯酰化明胶（Gelatin Methacrylate，GelMA）可用于形成三维人工组织，用以修复心脏结构和恢复心脏功能。[37]类似的石墨烯／水凝胶复合材料应用实例还有很多（图6-6）[38]。石墨烯基纳米材料的加入使得作为心脏组织工程支架的水凝胶材料具有更大的机械强度，导电性更强，从而更适用于心脏组织工程的研究和应用。

图6-6　石墨烯基纳米材料在心脏组织工程中的应用(www.xing528.com)

（a）红色区域显示心脏受损疤痕区域；（b）体外构建的心肌连接结构和心脏组织工程支架图；（c）MeTro （Methacryloyl-substituted Recombinant Human Tropoelastin，甲基丙烯酰取代的重组人原弹性蛋白）／GO复合材料结构示意图及其皮下植入后的免疫反应情况[38]

总体而言，石墨烯基纳米材料为工程化功能性心脏组织带来了很大的希望。大多数用于心脏组织工程的水凝胶机械性弱于天然组织，石墨烯基纳米颗粒的加入可以改善这些材料的机械性能和表面性能。此外，这些纳米颗粒增加了固有绝缘水凝胶的电导率，从而可以增强细胞信号传导，并改善在心脏组织工程非常重要的信号传递。将石墨烯基材料添加到水凝胶中也提供了与体内干细胞胞外基质更类似的微环境。因此，这些材料可以用于基于干细胞疗法的心脏组织工程，用以调控干细胞命运，但是也存在一些限制（例如生物相容性），需要在未来得到解决。