Nature Biomedical Engineeing：脱细胞ECM水凝胶作为生物材料，用于靶向治疗炎症组织！
小卢
2023-01-03
来自脱细胞组织的细胞外基质(ECMs)作为组织工程支架和再生医学的一种脱细胞策略显示了有良好的性能。特别是，脱细胞ECM可以通过酶消化加工成可诱导的水凝胶，可注射到组织中进行微创递送。这些可降解的水凝胶具有促生存、免疫调节和促进血管化等多种促再生功能。目前脱细胞ECM生物材料仅限于手术植入贴片或局部注射。开发一种ECM的配方，可以通过血管内输注来靶向渗漏的血管，允许更小的侵入性，更均匀的分布和潜在的更早的输送。损伤后急性分娩可减少细胞死亡，促进组织抢救和维护。在转译方面，对于难以进入的组织(如心脏、大脑和肺)，可以在干预时使用常规技术进行血管内输注。由于ECM水凝胶的物理特性，这种给药方式不适合目前的ECM水凝胶，不允许通过损伤或疾病部位泄漏的内皮细胞间隙。在本研究中，加州大学圣地亚哥分校Karen L. Christman教授团队提出一种用于血管内输注的ECM配方，以及在急性心肌梗死(MI)、创伤性脑损伤(TBI)和肺动脉高压(PAH)模型中靶向损伤组织的概念证明证据。还使用小动物和大型动物急性心肌梗死模型研究了该方法的安全性、有效性和转译相关性。该生物材料由脱细胞、酶解和分离的心室心肌组成，通过与损伤的微血管结合定位到损伤组织，并在约3 d内大量降解。在大鼠和猪的急性心肌梗死诱导后，冠状动脉内输注生物材料，我们观察到显著减少左心室容量和改善壁面运动评分，以及与组织修复和炎症相关的基因表达差异。损伤后血管内输注促愈合细胞外基质可能为炎症组织的愈合提供由内而外的转化优势。脱细胞心肌ECM水凝胶被选为起始材料，因为它在临床前模型中显示了疗效，以及I期临床试验中的转化概念证明。虽然这种材料保留了心肌ECM的复杂性，并且是可注射的，但它是一种半透明的悬浮液，其中含有较大的亚微米颗粒，这些颗粒太大了，无法通过急性损伤和/或炎症部位的渗漏血管间隙。为了生成血管内不溶ECM，开发了一种优化的离心、透析和无菌过滤方案，以从液体ECM水凝胶中去除高分子量肽/蛋白质。从高分子颗粒中分离出上清液并进行透析，得到低分子部分，不溶性ECM (iECM)，然后无菌过滤，冻干长期保存，重悬用于注射/输注。虽然iECM能够在皮下注射后在组织中凝胶化，类似于它的ECM水凝胶对应物，但在体外恒温培养时它没有凝胶化。选择了三种临床前模型来覆盖观察到血管渗漏的不同情况，特别是急性MI、TBI和PAH，它们既代表急性和慢性损伤，也包括缺血性、创伤性和压力过载损伤。iECM在所有模型中均通过模拟冠脉内输注(大鼠MI模型)和静脉输注(小鼠TBI和大鼠PAH模型)进行血管内给药。在急性心肌梗死模型中，iECM局限于梗死区域。在邻近心肌中观察到极少的物质，在远端心肌中没有发现物质，包括中隔和右心室。在TBI模型中，材料也局限于创伤区域，在远端脑组织中没有观察到材料。在多环芳烃模型中，由于多环芳烃模型影响整个器官，物质分布在整个肺部。近红外荧光扫描也证实了组织学观察到的所有结果。生物分布分析表明，过量的iECM积聚在肝脏和肾脏。作为对照，注入盐水或小标记肽(三赖氨酸)对照组，在目标器官中没有滞留，大部分流向肾脏。在所有模型中，iECM都专门分布在损伤组织中，这表明血管渗漏是物质滞留所必需的。为了证实这一点，iECM输注在没有心肌梗死的健康动物、TBI或PAH以及没有血管渗漏的慢性心肌梗死大鼠中进行。所有这些动物在各自的组织中都表现出最小的基质滞留;然而在肾脏和尿液中观察到物质，表明几乎立即消除。3、iECM与发炎的内皮结合，减少血管渗漏，促进血小板粘附，加速血管愈合为了安全性评估，确认iECM没有阻塞血管腔。我们确认iECM没有堵塞小动脉，还观察到iECM聚集物与微血管网络，特别是内皮细胞共定位。经进一步观察，共聚焦成像显示，内皮细胞之间的间隙内存在类似纤维基质的物质，在某些区域包裹着内膜，但没有堵塞微血管的管腔，因此假设iECM输注通过填充漏血血管的间隙来降低病理组织的通透性。与这一假设一致，iECM输注显著减少了标记牛血清白蛋白(BSA)向梗死区的渗漏，表明iECM降低了组织渗透性。然后，我们进一步评估了随着材料降解，血管渗漏是如何受到影响的，发现iECM输注后1和3 d BSA信号仍然下降，这表明iECM加速了血管愈合和闭合。到7 d时，盐水动物的血管屏障恢复到与盐水动物相似的水平。虽然iECM的存在不影响心肌梗死后第1天中性粒细胞的迁移，但它确实降低了心肌梗死后第3天梗死内的巨噬细胞密度。在体外，发现iECM在较低的剪切速率下增加血小板粘附，这可能在体内血管愈合中发挥有益作用，因为这些剪切速率在生理上模拟静脉流动。重要的是，我们在体内没有观察到血管系统中的任何凝血或栓塞。血小板聚集和粘附在血管壁和暴露的ECM是导致修复受损内皮屏障的级联事件的第一步。这暗示了一种iECM可以调节的机制。体内炎症反应，如观察到的巨噬细胞密度降低，可能与血小板活性协同工作，以增加结合和加速血管修复。由于ECM水凝胶先前已被证明可以促进组织修复，包括增加血管化、促进生存和调节炎症，因此我们假设iECM也具有类似的促进修复作用。输注后5周，iECM较对照组显著增加了梗死血管化。梗死纤维化和间质纤维化没有明显差异的丰富途径，包括血管生成，细胞底物，活性氧(ROS)和一氧化氮(NO)代谢，白细胞介素6 (IL6)和其他细胞因子信号。为了进一步评价iECM对内皮细胞代谢和存活的调节能力，将大鼠心脏内皮细胞在加入或不加入iECM的情况下进行过氧化氢体外孵育，并测量氧化还原代谢和细胞存活的变化。考虑到这些变化以及我们之前的发现，即原始ECM水凝胶通过游离硫醇作为ROS清除剂，评估了iECM随着时间的推移降低培养过氧化氢浓度的能力，并定量了iECM中的游离硫醇，显示与磷酸盐缓冲盐水(PBS)相比，过氧化氢显著降低，并且存在游离硫醇，侧面证明促进组织修复作用。5、动物急性心肌梗死模型研究了该方法的安全性、有效性和转译相关性在体内，观察到一些区域的内皮细胞被iECM包裹。这可能是与暴露在外的ECM结合，然后组装iECM，或与细胞受体结合的结果。在体内，发现在大鼠模型中，这种对炎症内皮的定位导致血管通透性几乎立即降低。心肌梗死后，血管通透性增加导致组织水肿，已知这有助于心脏细胞功能障碍和死亡。正如在猪心肌梗死模型中观察到的那样，心肌梗死后不久壁厚显著降低，这表明对液体和/或小蛋白质存在屏障。由于心肌水肿始于缺血，并在再灌注后迅速扩大，急性iECM输注可以防止组织水肿和再灌注损伤引起的进一步组织损伤。在许多有血管渗漏的病理中也观察到组织水肿，包括TBI和PAH，这表明iECM可能是治疗此类疾病的一种方法。iECM不仅可以在输注后立即物理堵塞渗漏血管的间隙，而且还可以帮助加速血管的愈合和关闭，因为它降解了。综上所述，这表明急性心肌梗死后给药最有效(数小时内)，一旦暴露的ECM部位饱和，治疗效果可能会趋于平稳。在猪模型中，随着剂量体积的增加，iECM保留率的回报递减。Martin T. Spang, Ryan Middleton, Miranda Diaz, et al.，Intravascularly infused extracellular matrix as a biomaterial for targeting and treating inflamed tissues， Nature Biomedical Engineering 2022DOI: 10.1038/ s41551-022-00964-5https://www.nature.com/articles/s41551-022-00964-5
