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基于间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC）的心脏补片，被认为是治疗心肌梗死、心肌损伤等疾病的一种有前景的方法。

MSC 因其易于获取、免疫原性低，且能分泌多种免疫调节和促组织再生的营养因子，而成为临床试验中最常见的细胞类型。

传统的心脏补片面临一个主要挑战：补片只能停留在心外膜表面，使得只有表层心肌得到恢复，而对深层受损心肌的修复效果有限。

为了克服这一挑战，南京大学顾宁院士团队与南京医科大学胡本慧教授团队合作，运用纳米技术开发了一种新型的无支架 MSC 心脏补片。

该补片不仅可自主识别损伤信号并迁移进入受损心肌，还能通过核磁共振进行无创示踪以提早判断移植是否成功，显著提升了心脏修复的效果。

据介绍，所使用的纳米材料 ferumoxytol 是由该团队开发的多聚糖超顺磁氧化铁注射液（商品名为瑞存），临床试验中用作铁剂为缺铁患者补铁，还可作为血管造影剂使核磁信号更强，是目前唯一获得中国食品药品监督管理局获批准的无机纳米材料。

新型心肌补片能够根据心肌损伤的信号，自主地迁移到损伤区域，并在时间和空间上优化生长因子等营养因子的递送。

从时间维度，补片能够获取受损心肌的营养延长自身寿命，从而更持久地释放营养因子；从空间维度，它能从心外膜迁移到心肌内部，使得营养物质能直接作用于心脏内部的受损区域。

图丨李梅（来源：李梅)

该研究成果标志着心肌补片的重要进步。相关论文已在 ACS Nano 上以《利用 Ferumoxytol 实现时空治疗递送的自主迁移和可追踪的心脏补片》（A Self-Homing and Traceable Cardiac Patch Leveraging Ferumoxytol for Spatiotemporal Therapeutic Delivery）为题发表[1]。

南京医科大学李梅博士为论文第一作者，南京大学顾宁院士和南京医科大学胡本慧教授担任论文通讯作者。

图丨相关论文（来源：ACS Nano)

值得注意的是，铁基纳米材料的高度生物安全性归因于其在体内降解后参与机体铁代谢。该课题组此前通过研究发现，纳米氧化铁被摄入 MSC 后，主要定位于溶酶体中，并随细胞分裂均匀分配到子代细胞中，在细胞内则缓慢释放铁离子[2-3]。

在该研究中，他们进一步发现，纳米氧化铁有能够促进 MSC 迁移的效果。在实验过程中，研究人员面临将柔软薄弱的无支架细胞补片稳定贴合到跳动心脏表面的挑战。

并且由于没有胶水，补片需要很平整地贴合到心脏上才能借助自身的细胞外基质与心脏进行贴合，贴得不好的细胞片会随着心脏的跳动而脱落，或在关闭胸腔时被胸腔壁蹭到而脱落。

“通过大量的动物实验，我们探索了胸腔暴露的最佳大小、角度和时间，并发现在贴上细胞补片后大概 10 分钟是比较理想的动态匹配和粘附时间。”李梅表示。

图丨该图说明内吞纳米氧化铁促进间充质干细胞补片自主迁移到缺血心肌，并实现长期整合（来源：ACS Nano）

这一创新心脏补片的开发，不仅展示了生物医学工程和纳米技术在心脏修复领域的融合潜力，还提出了一种新策略来应对心肌损伤后的治疗挑战。

目前，心肌补片的植入需通过开胸完成，但未来，通过胸腔内导管递送这种补片，将提供一种更为理想且微创的递送方法，从而使更多心肌疾病患者受益。

将形状记忆材料与心脏补片结合并附着在导管头部，可使补片在到达心脏的指定位置后，像伞一样自动展开并形状适配至心外膜。据了解，在目前的技术条件下，在进行冠状动脉搭桥手术时，可以同时将多块细胞补片贴附到心肌表面。

李梅进一步解释说道：“与仅能解决血管堵塞问题的搭桥手术相比，这种联合具有修复受损血管和减少心肌细胞死亡的双重效果。此外，由于口服营养药物无法直达心肌，我们的补片与手术的配合使用，能够持续地为心肌提供药物。”

图丨心肌梗死大鼠植入的间充质干细胞补片向梗死心肌迁移并与之整合（来源：ACS Nano）

该课题组期望这种补片能尽快实现临床转化。目前，ferumoxytol 作为补铁剂和核磁共振成像造影剂的临床试验已在他们的推动下顺利进行。

对于心肌补片的研究，他们计划在以下几个方面进一步深入：

首先，在临床转化方面，将探索制备适合人类使用的大尺寸、含有 ferumoxytol 的间充质干细胞补片的方法，以及适宜的细胞补片存储和运输方式，这可能需要开发新型的冻存液。同时，还将进一步验证 ferumoxytol 的生物安全性以及改善 MSC 治疗功能的最佳剂量。

其次，在纳米科学领域，将深入研究 ferumoxytol 在细胞内的旅途、作用机制以及它如何影响 MSC 细胞的命运。

“只有投身于有意义的科学研究，我们才能有效地服务于人类、为科学界贡献新的知识和见解。此外，科研不仅是关于知识与技术技能的累积，它更是一个长期的探索过程。这个过程关键在于识别并解决领域内的根本性问题，从而推动科学的进步。”李梅说道。

参考资料：

1.Li, M. et al. A Self-Homing and Traceable Cardiac Patch Leveraging Ferumoxytol for Spatiotemporal Therapeutic Delivery. ACS Nano (2024). https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08346

2.Ye, D. W. et al. Long-term fate tracking and quantitative analyzing of nanoparticles in stem cells with bright-field microscopy. Nano Today (2022). https://doi.org/10.1016/j.nantod.2022.101506

3.Ye, D. W. et al. Optical Imaging and High-Accuracy Quantification of Intracellular Iron Contents. Small (2021). https: // doi/10.1002/smll.202005474