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南方医科大学邱小忠教授 ACS Nano:装载过硫酸铵的纳米颗粒通过自噬和mTOR通路激活心外膜上皮-间质转化促进心梗修复
2023-10-07  来源:高分子科技

  过硫酸铵(APS)作为一种氧化剂,常在材料制备中用作化学催化剂,具有强的细胞毒性,南方医科大学第五附属医院邱小忠团队提出了一种“化毒物为药物”的材料生物学干预策略,同时采用APS作为纳米颗粒的化学催化剂和心肌梗死治疗药物,起到“一石二鸟”的作用。


  心肌梗死(MI)是全球范围内死亡的主要原因,虽然在临床试验中已经采用将治疗性细胞移植到疤痕组织中进行心脏修复的策略,但是心梗区恶劣的微环境使移植的细胞难以存活,只能引起心功能微弱的提高。因此,通过功能性生物材料原位激活内源性细胞治疗心肌梗死是一种具有前景的治疗策略。心外膜细胞是一种多能性心脏祖细胞,在心脏发育和心脏重塑过程中起着重要的细胞来源作用。在心脏发育早期,心外膜细胞可以通过上皮-间充质转化(EMT),分化为平滑肌细胞、心脏成纤维细胞、内皮细胞、甚至可能分化为心肌细胞。而哺乳动物成年心外膜细胞在正常生理条件下通常是沉默状态,心梗后,它们可以重新启动胚胎期遗传程序,发生EMT分化成多种细胞,在一定程度上支持心脏修复,但是这不足以促进成人心脏的充分修复。目前,许多研究通过心梗死后注射细胞因子或调节非编码RNAs (ncRNAs)来增强内源性心外膜细胞EMT过程,进行心梗修复。然而,这些方法通常是复杂和昂贵的。此外,这些裸露的细胞因子或ncRNAs仍然面临半衰期短、容易失活和细胞摄取不足的挑战。



  基于此,南方医科大学邱小忠教授团队制备了一种羧基化甲基丙烯酸酯明胶(carbox-GelMA)纳米颗粒NP来携带过硫酸铵APS,形成NPs/APS研究发现NPs/APS在体外可以诱导WT1+心外膜细胞EMT,转化为内皮样细胞,在体内心梗区注射NPs/APS后,心肌功能明显改善(图1)。此外,发现NPs/APS诱导的WT1+心外膜细胞EMT自噬和mTOR通路有关。 


1. (A) NPs/APS的制备及其在体外诱导WT1+心外膜细胞EMT的机制。(B) NPs/APS可以促进梗死区血管新生从而促进心梗修复。


  团队检测了NPs/APS在体外对WT1+心外膜细胞EMT的影响。如图2所示NPs/APS处理的心外膜细胞呈现纺锤形(图2A),NPs/APS处理72小时后,心外膜细胞内的E-cadherin蛋白水平下降,N-cadherin蛋白水平升高 (2B-2E)。进一步研究发现NPs/APS诱导的WT1+心外膜细胞VWF表达升高(图2F-2H),表明NPs/ APS具有驱动WT1+心外膜细胞分化为内皮样细胞的潜力。团队发现NPs/APS诱导WT1+心外膜细胞EMT的机制与自噬和mTOR通路有关(图3)。为了验证NPs/APS在体内对心梗的修复效果,团队使用了大鼠心梗模型,发现在心梗区注射四周后,NPs/APS可以明显提高心功能(图4)。 


2. NPs/APS可促进WT1+心外膜细胞EMT,并将其转化为内皮样细胞。 


3NPs/APS诱导WT1+心外膜细胞EMT通过自噬和mTOR通路。 


4NPs/APS注射到心梗区后可以促进心功能提高。1:假手术组,2:心梗组,3NPs/APS注射组,4:EPCs/cryogel组,5:ELCs/cryogel组。


  在本研究中通过NPs/APS纳米组装作为治疗药物,对心肌梗死表现出明显的修复作用。此外,团队还研究了NPs/APS诱导心外膜细胞EMT的机制,该机制与自噬和mTOR通路有关。诱导内源性心外膜细胞EMT是梗死区持续产生新生血管的有效方法,此研究为心梗修复提供了新的理论基础和材料储备。


  以上研究成果以“Ammonium Persulfate-Loaded Carboxylic Gelatin?Methacrylate Nanoparticles Promote Cardiac Repair by Activating Epicardial Epithelial?Mesenchymal Transition via Autophagy and the mTOR Pathway”为题发表在《ACS Nano》上。文章的第一作者为南方医科大学第五附属医院博士后宋晨,通讯作者为南方医科大学邱小忠教授和王乐禹教授。该课题得到了国家自然科学基金项目、广东省科技计划项目、广州市科技项目、广州市科技计划重点项目、深圳市基础研究重点项目的资助和支持。


  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.3c06229

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(责任编辑:xu)
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