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針對(duì)上述問(wèn)題，浙江大學(xué)王瑋教授團(tuán)隊(duì)選用FDA批準(zhǔn)的SIS作為基質(zhì)，利用其壓電性將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電脈沖。通過(guò)在SIS上原位生長(zhǎng)β-環(huán)糊精金屬有機(jī)框架（β-CD-MOF），借助主客體相互作用高效裝載膽固醇修飾的miR-210 Agomir，實(shí)現(xiàn)了基因治療藥物的緩釋。同時(shí)，在SIS邊緣修飾聚苯胺磺酸鹽（PST），賦予補(bǔ)片水觸發(fā)粘附性和抗氧化性，便于微創(chuàng)植入，從而顯著提升了SIS的臨床性能。《A Piezoelectric and Suture - Free Cardiac Patch Assembled by all FDA - approved Materials Achieves a Minimally Invasive Gene Therapy》為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202425399）。

圖1 Ago-Patch的制備、作用機(jī)制及應(yīng)用示意圖

（1）SIS/MOF的制備與表征

圖2A展示了β-CD-MOF在超聲輔助下原位生長(zhǎng)于SIS表面的示意圖，制備的β-CD-MOF平均粒徑為1微米，有利于提高藥物包載量。圖2B和圖2C分別為SIS和SIS/MOF的SEM圖，SIS由有序膠原纖維組成，而SIS/MOF表面呈現(xiàn)密集簇生的β-CD-MOF結(jié)構(gòu)，源于其在SIS表面的成核與晶體生長(zhǎng)。圖2D為圖2C的放大圖，進(jìn)一步展示了β-CD-MOF的聚集結(jié)構(gòu)。圖2E的XRD圖譜顯示，SIS/MOF在2θ = 6.4°、9.2°、10.6°、12.5°和14.7°處出現(xiàn)與β-CD-MOF標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致的新衍射峰，證實(shí)β-CD-MOF成功生長(zhǎng)。圖2F的FTIR圖中，SIS/MOF在1020 cm?1處的C-O伸縮振動(dòng)峰顯著增強(qiáng)，表明β-CD-MOF的存在。圖2G的XPS曲線(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了元素K的存在及C-O特征峰面積的增加。圖2H通過(guò)AFM和Nano-IR分析，顯示SIS/MOF表面因β-CD-MOF生長(zhǎng)而變粗糙，紅外強(qiáng)度顯著增加，表明表面功能團(tuán)發(fā)生明顯變化。

圖2 SIS/MOF的制備工藝及結(jié)構(gòu)表征。（a）在超聲輔助的氣相擴(kuò)散方法下，在SIS上原位生長(zhǎng)β-CD-MOF的示意圖；（b）SIS和SIS/MOF的表面形態(tài)及放大視圖；（c）SIS/MOF的元素分布；（d）SIS和SIS/MOF的XRD圖譜；（e）SIS和SIS/MOF的FTIR圖譜；（f）SIS和SIS/MOF的XPS曲線(xiàn)；（g）SIS和SIS/MOF的形貌圖像及1020 cm?1處的紅外強(qiáng)度分布圖

（2）通過(guò)SIS/MOF的基因遞送

圖3A顯示miR-210 Agomir的3'端膽固醇基團(tuán)通過(guò)主客體相互作用與β-CD-MOF的空腔結(jié)合。圖3B中Agomir的P信號(hào)與β-CD-MOF的C、K信號(hào)共定位，圖3C的XPS分析確認(rèn)了Agomir的成功負(fù)載。圖3D表明Agomir加載后β-CD-MOF的晶體結(jié)構(gòu)未變，圖3E顯示zeta電位從-23.1±2.7 mV降至-17.9±2.2 mV，推測(cè)因Agomir結(jié)合所致。圖3F顯示隨著Agomir用量增加，載荷效率從83.7%降至31.6%，而每微摩爾β-CD-MOF的載荷量從1.74升至3.95 nmol。圖3G表明Agomir可在兩周內(nèi)持續(xù)釋放，優(yōu)于SIS/β-CD的快速釋放。圖3H顯示SIS/MOF@Ago的熒光強(qiáng)度高于SIS/β-CD@Ago，表明SIS/MOF具有更高的藥物保留能力，有利于治療應(yīng)用。

圖3 SIS/MOF@Ago的示意圖和表征。（a）Agomir加載在β-CD-MOF中的示意圖；（b）MOF@Ago的元素映射圖像；（c）MOF@Ago的XPS光譜；（d）Ago的X-CD-MOF和MOF的XRD光譜；（e）電位變化；（f）MOF@Ago的Agomir負(fù)載效率；（g）Ago-Patch的藥物釋放曲線(xiàn)；（h）羅丹明B在SIS/MOF和SIS/β-CD上的負(fù)載和釋放行為

（3）SIS的壓電特性

圖4A示意了SIS產(chǎn)生壓電效應(yīng)的機(jī)制，其膠原纖維的三螺旋結(jié)構(gòu)在機(jī)械應(yīng)力作用下引發(fā)極化變化。圖4B的壓電響應(yīng)顯微鏡（PFM）振幅映射強(qiáng)度與膠原纖維方向一致，證實(shí)了膠原纖維的壓電響應(yīng)。圖4C的蝴蝶曲線(xiàn)揭示了PFM振幅與施加直流偏壓的關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了壓電特性。圖4D的單點(diǎn)測(cè)量顯示SIS、SIS/MOF、SIS/PST的d33值分別為3.7±0.2、3.6±0.2、2.1±0.2 pm V?1，表明β-CD-MOF生長(zhǎng)未影響壓電性能，而PST修飾使d33值下降。圖4E展示了SIS-PENG的組裝結(jié)構(gòu)，圖4F表明其開(kāi)路電壓（Voc）隨SIS尺寸增加而增大。圖4G顯示SIS/MOF的Voc無(wú)變化，而SIS/PST的Voc顯著降低。圖4H表明SIS-Patch的Voc隨關(guān)節(jié)活動(dòng)角度增大而增加。圖4I顯示在超聲波功率增加時(shí)，Voc從250 mV（0.5 W cm?2）升至800 mV（2 W cm?2）。圖4J表明SIS-Patch在9 mm厚的肉下仍能被超聲波激發(fā)產(chǎn)生約33 mV的電壓。圖4K顯示植入大鼠心臟的SIS-Patch能響應(yīng)心跳和呼吸，分別產(chǎn)生約10 mV和20 mV的電壓。

（4）SIS/MOF@Ago的體外功能確認(rèn)

圖5A展示了實(shí)驗(yàn)方案，包括H9c2細(xì)胞的處理和分組。圖5B的熒光圖像顯示，Cy5標(biāo)記的Agomir可以從β-CD-MOF中成功釋放并進(jìn)入H9c2細(xì)胞。圖5C和圖5D的RT-qPCR結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)染Agomir后miR-210水平顯著增加，ISCU水平下降，HK2水平上升。圖5E-G的JC-1染色結(jié)果顯示，H2O2處理的細(xì)胞中紅色/綠色熒光比率顯著降低，表明線(xiàn)粒體功能障礙，而添加SIS或MOF@Ago能部分逆轉(zhuǎn)這一變化。圖5H和圖5I的DCFH-DA染色結(jié)果顯示，與健康細(xì)胞相比，H2O2處理的細(xì)胞和MOF@NC + H2O2處理的細(xì)胞內(nèi)綠色熒光強(qiáng)度顯著增加，而SIS處理和MOF@Ago轉(zhuǎn)染的細(xì)胞內(nèi)ROS水平降低。結(jié)果表明，miR-210能夠從β-CD-MOF中有效釋放，并在氧化應(yīng)激條件下保護(hù)H9c2細(xì)胞，維持線(xiàn)粒體功能并減少mtROS產(chǎn)生。

圖4 SIS-Patch的壓電性能。（a）SIS的可能壓電機(jī)制；（b）SIS、SIS/MOF和SIS/PST的PFM映射；（c）壓電蝶形曲線(xiàn)；（d）d33值；（e）典型SIS-PENG的組裝；（f）不同尺寸SIS貼片的輸出性能；（g）不同修飾SIS貼片的輸出性能；（h）附接到手指關(guān)節(jié)的SIS貼片的輸出性能；（i）超聲波下SIS貼片的輸出性能；（j）不同厚度肉覆蓋下SIS貼片的輸出性能；（k）大鼠心臟起搏時(shí)SIS-Patch采集和輸出的電信號(hào)

圖5 SIS和MOF@Ago對(duì)H2O2處理的H9c2細(xì)胞的生物學(xué)功能。（a）體外實(shí)驗(yàn)程序示意圖；（b）Agomir被H9c2細(xì)胞內(nèi)吞的熒光圖像；（c）miR-210基因表達(dá)水平；（d）HK2、ISCU、GPD2和ACO的熱圖；（e）JC-1染色熒光圖；（f）細(xì)胞熒光線(xiàn)性定量；（g）JC-1聚集體與單體的相對(duì)熒光強(qiáng)度比；（h）通過(guò)DCFH-DA測(cè)量的細(xì)胞內(nèi)ROS水平

（5）Ago-patch在大鼠心臟的功能

圖6A顯示Ago-Patch在體內(nèi)至少可保留14天，表明其能牢固粘附于心臟并具備長(zhǎng)期治療潛力。圖6B的熒光圖像表明，與直接注射miR-210 Agomir相比，Ago-Patch在心肌組織中顯示出更高的熒光強(qiáng)度，證明了Ago-Patch的持續(xù)釋放能力。圖6C列出了實(shí)驗(yàn)方案，大鼠被隨機(jī)分為四組：假手術(shù)組、心肌梗死未治療組、NC-Patch組和Ago-Patch組。圖6D的超聲心動(dòng)圖顯示，與假手術(shù)組相比，心肌梗死組左心室舒張末期和收縮末期直徑顯著增加，而Ago-Patch治療可顯著恢復(fù)這些指標(biāo)。圖6E和圖6F的定量分析顯示，心肌梗死組的射血分?jǐn)?shù)（EF）和縮短分?jǐn)?shù)（FS）顯著下降，而Ago-Patch組的EF和FS顯著提高，接近假手術(shù)組水平，表明Ago-Patch能顯著改善心臟功能。

圖6 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（a）代表性熒光圖像；（b）心臟中總輻射效率定量分析；（c）動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方案；（d）治療后第28天的代表性超聲心動(dòng)圖圖像；（e）EF的定量分析；（f）FS的定量分析

（6）Ago-Patch對(duì)大鼠心肌梗死的治療作用及miR-210 Agomi的可能作用途徑

圖7A的RT-qPCR結(jié)果顯示，Ago-Patch治療7天后，心肌組織中ISCU和GPD2基因表達(dá)顯著下調(diào)，表明miR-210 Agomir成功發(fā)揮作用。圖7B和圖7C的HE染色顯示，與MI組相比，Ago-Patch組左心室壁厚度增加，不良重塑得到抑制。圖7D和圖7E的Masson’s三色染色及定量分析表明，Ago-Patch顯著減少心肌纖維化面積。圖7F的Sirius Red染色進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)果，顯示Ago-Patch組膠原沉積最少。圖7G的免疫熒光染色顯示，與MI和NC-Patch組相比，Ago-Patch組在梗死區(qū)的α-SMA和CD31表達(dá)顯著增加，表明新生血管密度提高。圖7H和圖7I的Cx43免疫熒光染色顯示，Ago-Patch組Cx43表達(dá)顯著增加，表明SIS產(chǎn)生的電刺激促進(jìn)了電生理信號(hào)的傳遞。圖7J總結(jié)了Ago-Patch的作用機(jī)制，表明其通過(guò)釋放miR-210 Agomir調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝，抑制ISCU表達(dá)，影響ACO，導(dǎo)致TCA循環(huán)中斷，同時(shí)抑制GPD2表達(dá)，減少mtROS產(chǎn)生，從而適應(yīng)缺氧環(huán)境并促進(jìn)心肌細(xì)胞存活。

圖7 Ago-Patch對(duì)MI大鼠的治療作用及miR-210 Agomir的可能作用途徑。（a）基因表達(dá)水平的統(tǒng)計(jì)分析；（b）HE染色代表性圖像；（c）壁厚定量分析；（d）Masson三色染色代表性圖像；（e）心臟纖維化面積定量分析；（f）SR染色代表性圖像；（g）CD31和α-SMA的代表性IF染色圖像及FI定量；（h）Cx43蛋白的代表性IF染色圖像及FI定量；（i）Agomir的可能作用途徑