心肌梗死（MI）后，线粒体功能障碍会引发心肌细胞损伤与死亡。通过心脏补片递送线粒体是恢复线粒体功能、促进心肌修复的有效策略。然而，现有贴片往往缺乏稳定的湿粘附能力、功能单一等问题，并且难以有效防止组织粘连。为此，他们将生物粘合剂与静电纺丝相结合，构建了一种Janus心肌贴片。其内层表现出良好到湿粘附效果，粘附强度达55 kPa、界面韧性达214 J·m^-2，显著优于商用纤维蛋白胶。此外，外层由润滑性纳米纤维构成，可作为物理屏障来预防组织粘连。值得注意的是，内层负载脂肪干细胞来源线粒体的生物粘合剂，能够通过渗透效应将线粒体输送至心肌细胞，从而增强其线粒体功能。在大鼠MI模型的体内研究表明，该Janus心肌贴片既能预防组织粘连，又能促进心肌修复。空间代谢组学分析进一步显示，该心肌贴片可改善梗死心肌的能量代谢，帮助恢复能量供给，这可能是其增强心肌修复作用的潜在机制。综上所述，本研究提出了一种局部线粒体递送的新策略，并彰显了Janus心肌贴片治疗心肌梗死的潜力。

  近日，华南理工大学生物医学科学与工程学院付晓玲教授课题组，开发了一种不对称粘附的Janus心肌贴片（GAC/PS@Mito）用于治疗心肌梗死（MI）。内层生物粘合层由负载线粒体的儿茶酚修饰氨基化明胶（GAC@Mito）构成，外层则由PSBMA修饰的PCL静电纺丝组成。两层之间通过渗透效应紧密结合，并依靠非共价作用与物理互穿实现稳定连接。该Janus心肌贴片将吸水作用、儿茶酚粘附策略和渗透效应相结合，实现良好的湿粘附效果，从而确保其稳定粘附在心肌组织表面。更重要的是，该Janus心肌贴片能高效将线粒体递送至心肌组织中，改善线粒体功能并修复受损心肌细胞。此外，该贴片还展现出良好的力学性能、抗炎、抗氧化和促血管生成特性，为心肌梗死治疗提供了一种很有前景的替代方案。

  2025年12月23日，该项成果以“Mitochondria-Loaded Janus Cardiac Patch for Myocardial Infarction Repair and Prevention of Tissue Adhesions”为题发表在ACS Nano期刊上。课题组博士生吕奕成为本论文第一作者，通讯作者为付晓玲教授。

图1. (A) GAC/PS@Mito心脏贴片制备过程；(B) Janus心肌贴片与湿润组织的粘附机制：干燥生物粘合剂吸收界面液体。随后，通过渗透效应及共价/非共价交联实现强界面粘附；(C) Janus心肌贴片预防术后组织粘连并促进心肌梗死修复；(D) Janus心肌贴片促进心肌梗死修复的机制：该心肌贴片提高心肌细胞中线粒体的功能，从而降低炎症反应和活性氧水平，促进血管生成并改善心脏功能。

  该心肌贴片具有高度的柔韧性，可适应360°的弯曲，能够粘附在不规则形状的心脏组织表面。内层GAC生物粘合剂能够渗透到外层PS纳米纤维中，并且两层之间紧密结合。在摩擦性能方面，随着PSBMA浓度的增加，PS-3组的摩擦系数显著降低至0.1，表现出超润滑效应。PS-3的水接触角为27°，表明其亲水性能良好。此外，Janus心肌贴片具有高拉伸强度（>2 MPa）和良好的延展性（>200%），可有效承受心脏收缩时的动态应力。

图2. (A) Janus心肌贴片不同扭曲角度的照片；(B) 不同PSBMA含量的静电纺丝SEM图像；(C) Janus心肌贴片内外层表面及横截面形态的代表性SEM图像；(D) 3D轮廓图像；(E) PS静电纺丝在湿润条件下的摩擦系数-时间曲线；(F) 静电纺丝的水接触角；(G) Janus心肌贴片的拉伸应力-应变曲线；(H) Janus心肌贴片的综合力学性能雷达图；(I) PS静电纺丝和Janus心肌贴片应力-应变分布的有限元分析模拟。

  荧光染色结果表明，GAC生物粘合剂能够渗透到PS静电纺丝和心肌组织中，渗透距离达到230.5 μm。SEM结果表明，Janus心肌贴片成功渗透并与心肌组织紧密结合。有限元模拟结果表明，GAC生物粘合剂能够渗透心肌组织，渗透距离随时间增加。内层GAC生物粘合剂在湿润的皮肤和脏器组织上表现出强粘附力，而外层PS纳米纤维几乎没，有效防止了组织粘连。Janus心肌贴片的粘附强度和界面韧性分别为55 kPa和214 J m^-2，明显高于纤维蛋白胶。此外，Janus心肌贴片最大爆破压力为17.6 kPa，与正常血压接近。

图3. (A) Janus心肌贴片的组织渗透效果；(B) 组织渗透效果的SEM照片；(C) Janus心肌贴片渗透至心肌组织的有限元分析模拟；(D) 代表性照片展示PS静电纺丝与GAC生物粘合剂面在湿润猪组织上的粘附特性；(E) Janus心肌贴片180°剥离试验的力-位移曲线；(F) Janus心肌贴片搭接剪切试验的力-位移曲线；(G) Janus心肌贴片在湿润猪皮上的拉伸强度与界面韧性；(H) Janus心肌贴片在湿润猪心脏组织上的爆破压力；(I) Janus心肌贴片的器官密封效果；(J) 粘合界面处的SEM照片。

  他们使用H₂O₂诱导H9C2细胞氧化应激，来模拟心肌梗死后的细胞损伤效果。结果表明，与H₂O₂组相比，GAC/PS@Mito组和GAC/PS组的细胞内ROS水平显著降低。进一步的细胞凋亡检测显示，GAC/PS@Mito组的细胞存活率（78.7%）明显高于H₂O₂组（61.1%），表明Janus心肌贴片能有效保护细胞免受H₂O₂诱导的凋亡。TEM和免疫荧光染色结果表明GAC/PS@Mito心肌贴片递送的线粒体在H9C2细胞中未与原有线粒体融合，而是与自噬体共定位，表明其通过诱导线粒体自噬来改善H9C2细胞状态。此外，GAC/PS@Mito组显著改善了线粒体形态和膜电位，增强了ATP生产，表明该贴片通过改善线粒体功能从而保护细胞免受氧化应激的损伤。

图4. (A) H9C2细胞内ROS水平的代表性荧光图像；(B) 各组H9C2的DCF荧光强度；(C) H9C2细胞凋亡的流式细胞术结果；(D) GAC/PS@Mito心肌贴片递送线粒体并诱导自噬；(E) 荧光图显示H9C2细胞内线粒体的摄取和分布；(F) TEM图像显示自噬体与线粒体的共定位；(G) H9C2细胞氧化损伤的示意图；(H) H9C2细胞内线粒体形态和网络结构；(I) H9C2细胞中线粒体形态的TEM图片；(J) H9C2细胞中线粒体膜电位强度；(K) 线粒体膜电位强度的流式细胞术结果；(L) 不同组别H9C2细胞内ATP水平。

  在MI后，心脏与周围组织之间可能形成纤维性粘连，从而导致严重后果。结果显示，MI组和Gynecare Interceed?组均出现严重的胸腔组织粘连，而GAC/PS@Mito组则表现出极少甚至没有粘连。组织学染色结果进一步表明，MI组出现严重的组织粘连，并伴随炎症细胞浸润和过度的结缔组织积累，而GAC/PS@Mito组未见显著炎症或粘连。该心肌贴片通过减少纤维蛋白和细胞沉积、恢复纤溶系统的平衡和作为物理屏障，显著抑制了术后组织粘连的形成。此外，GAC/PS@Mito组显著改善了心脏功能，LV前壁的收缩性得到增强，且射血分数（EF）和缩短分数（FS）均明显高于其他组。

图5. (A) 各组胸腔粘连的代表性照片，虚线表示粘连部位；(B) 各组别的胸腔粘连评分；(C) H&E的代表性图像；(D) PAI-1和tPA的代表性免疫荧光图像；(E) 超声心动图和Vevo strain显示LV结构和运动；(F) 各组别的射血分数（EF）评估；(G) 各组别的缩短分数（FS）评估。

  Masson三色染色显示，MI组心室扩张、心室壁变薄及广泛的心肌纤维化，而GAC/PS@Mito组显著增加了心室壁厚度，减少了梗死区域的纤维化。与Gynecare Interceed^TM组相比，GAC/PS@Mito组的纤维化面积从44.4%降至10.1%，心肌壁厚度从1.5mm增至2.2mm，表明心肌贴片对心室重塑的改善效果。免疫荧光染色结果分析，GAC/PS@Mito组通过抑制炎症反应和氧化应激，促进了心肌修复。此外，GAC/PS@Mito组的心肌细胞形态正常，且CX-43和α-actinin的表达与Sham组接近，表明其有助于保持电-收缩耦联功能。最后，GAC/PS@Mito组的毛细血管密度是MI组的3.2倍，表明心肌贴片能够改善血管生成。

图6. (A) Masson三色染色代表性图片；(B) 梗死区的定量分析；(C) 梗死壁厚度的定量分析；(D) GAC/PS@Mito心脏贴片的效果示意图；(E) IL-6和TNF-α的代表性荧光图像；(F) 各组别的IL-6定量分析；(G) 心肌细胞形态的WGA染色代表性图片；(H) 心肌细胞大小的定量分析；(I) CX-43和α-actinin的代表性荧光图像；(J) 各组别的CX-43定量分析；(K) α-SMA和CD31的代表性荧光图像；(L) 血管密度的定量分析。

  为了探讨GAC/PS@Mito Janus心肌贴片的心肌修复机制，他们对心肌组织进行了空间代谢组学（SM）分析。通过MALDI-MSI和UMAP降维分析，他们识别出8个不同的代谢景观，并将Masson三色染色与代谢簇之间进行空间关联。代谢物富集分析显示，GAC/PS@Mito组在梗死区域显著减少了C1簇的代谢物，并增加了C3和C4簇的代谢物。此外，火山图分析显示，GAC/PS@Mito组的ATP和coenzyme A等关键代谢物显著上调，表明能量代谢得到了改善。与MI组相比，GAC/PS@Mito组的苹果酸、延胡索酸、ATP和NADH的表达水平显著上升，表明TCA循环和氧化磷酸化（OXPHOS）代谢活性增强。此外，KEGG通路分析和差异代谢物相互作用网络分析表明，GAC/PS@Mito心肌贴片通过改善心肌组织的能量代谢，从而促进心肌修复。

图7. (A) UMAP分析显示心肌组织中的八个代谢簇；(B) 心肌组织的Masson三色染色和SM特征图；(C) 每个代谢簇的前三个标志性代谢物；(D) 代谢物的亚组百分比条形图；(E) MI组与GAC/PS@Mito组的差异代谢物火山图；(F) 差异代谢物的热图；(G) 差异代谢物的表达及空间分布；(H) 代谢物的平均离子强度分析；(I) 相关代谢通路的GSEA分析；(J) KEGG通路分析；(K) 差异代谢物的相互作用网络。

  以上研究结果表明，所制备的GAC/PS@Mito Janus心肌贴片在预防胸腔粘连和治疗心肌梗死方面具有应用潜力，且对于湿粘附和Janus粘合剂研究具有一定参考价值。

  本研究工作得到了国家自然科学基金（T2288101, 32571530, 82272152）、国家重点研发计划（2021YFB3800900）和广东省基础与应用基础研究基金（2022A1515011925）的支持。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c18334