心肌梗死给人类健康带来严重威胁，可注射水凝胶可为梗死心肌区域提供机械支撑，还可负载药物、生物活性因子或细胞等，改善梗死微环境，诱导心肌组织再生，在治疗心肌梗死方面具有独特优势。海藻酸盐水凝胶以其类细胞外基质特性、易修饰和生物组织相容性良好等特点被广泛研究。主要综述了近年来处于实验室研究阶段的复合水凝胶海藻酸盐水凝胶和生物活性海藻酸盐水凝胶以及临床研究阶段海藻酸盐水凝胶Algisyl-LVRTM、IK-5001、TCMR和Merike TM在心肌梗死治疗中的应用。
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心肌梗死是全球心血管疾病的头号杀手，其导致死亡的人数占心血管疾病死亡人数的40%以上，对全球健康造成严重的影响[1]。心肌梗死被定义为心肌组织猝死，通常是由于易损斑块破裂引起的冠状动脉血栓闭塞，导致左心室跳动心肌的血液供应显著减少[2,3]。心肌细胞在缺血20 min内出现损伤或死亡，紧接着细胞外基质（extracellular matrix，ECM）重塑形成的瘢痕组织会替代丢失的心肌组织，引起梗死壁变薄和左心室扩张，最终出现心力衰竭[4]。因此，如何改善心肌梗死微环境并调控相关生理活动以促进心肌修复显得尤为重要。水凝胶作为一类典型的生物材料，是通过化学或物理交联而形成的亲水三维网络结构高聚合物，具有生物相容性、低免疫原性、高渗透性及可调机械性能[5]。水凝胶可以在梗死区替代ECM为细胞提供力学支撑，改善梗死区微环境，促进内源性细胞募集和血管新生，延缓左心室重塑[6,7,8]。
海藻酸盐是一种由藻类衍生的可食用的多糖，通过交联可形成具有流动性与力学性能可控的三维网络水凝胶[9]。海藻酸盐水凝胶作为一种被美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准使用的天然高分子材料，具有低细胞毒性、良好的生物组织相容性、类ECM特性、结构独特、易修饰、相对较低的成本、可生物降解特性、温和的离子凝胶化过程和抗凝血等特点，可以交联坏死心肌细胞释放的过高Ca2+，促进梗死区的血管新生[10]。本文主要对近年来处于实验室研究阶段的复合水凝胶海藻酸盐水凝胶和生物活性海藻酸盐水凝胶以及临床研究阶段海藻酸盐水凝胶Algisyl-LVRTM、IK-5001、TCMR和Merike TM在心肌梗死治疗中的应用进行综述。
海藻酸盐水凝胶是极为亲水的三维网状结构聚合物，可与其他材料形成复合水凝胶用于心肌梗死的治疗，也可负载基因、蛋白、细胞等形成具有生物活性的水凝胶进一步提高治疗心肌梗死的效果。
海藻酸钠水凝胶因其良好的生物相容性广泛应用于组织工程支架材料的研究。Leor等[11]将Ca2+交联的海藻酸钠水凝胶通过导管经冠状动脉注射于梗死后第4天的猪心肌组织中，在第60天观察到该水凝胶能够逆转左心室的扩张，与对照组相比，水凝胶组的瘢痕厚度增加了53%并被肌成纤维细胞和胶原所取代。Li等[12]将合成的多巴胺接枝透明质酸与海藻酸钠和Ca2+负载脂质体结合，制备了一系列可注射的热敏透明质酸钠/海藻酸钠水凝胶，其具有良好的生物相容性，有利于小鼠心肌细胞的黏附、增殖和扩散，同时保持最佳的细胞状态。海藻酸盐水凝胶作为一种可心肌内注射的生物材料，可有效增加梗死区的瘢痕厚度，仅限于机械支持，临床运用效果有限。
纳米材料在巨噬细胞极化、电刺激和氧化应激等方面具有特定的响应性。海藻酸盐水凝胶可以根据对各种刺激模式的特定反应需求负载相应的纳米材料。Zhou等[13]将从墨鱼墨水中提取的黑色素纳米颗粒和海藻酸盐这2种海洋衍生的天然生物材料组成复合水凝胶，该复合水凝胶具有抗氧化、抗炎、促血管生成和机械支持特性，可以促进巨噬细胞向M2型极化，能够进行体内心脏的修复。Dvir等[14]在大孔藻酸盐支架内加入金纳米线构建三维多孔生物材料支架，该支架可以弥合藻酸盐的抗电孔壁，改善相邻心脏细胞之间的电传导，使组织中的细胞在电刺激下同步收缩，提高了参与肌肉收缩和电耦合的蛋白质表达水平。Guo等[15]通过将聚多巴胺修饰的黑磷纳米片加载到藻酸盐-透明质酸水凝胶中构建了一个有利于心肌梗死后可注射的微环境控制平台，其可以很好地调节心肌梗死进展中的氧化应激。通过探索负载具有特定功能的纳米材料水凝胶等交叉学科手段在心肌梗死治疗中的应用，具有潜在的临床转化价值。
生物玻璃具有血管生成特性，通过分解产生的离子可上调血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）的表达，联合海藻酸盐水凝胶可以控制其在心肌中的滞留率。Guan等[16]将在生物玻璃制浆过程中释放的Ca2+部分交联海藻酸钠以制备生物玻璃-海藻酸盐复合水凝胶，当含有30%左右生物玻璃时，该复合水凝胶能明显促进心脏细胞的增殖，心肌梗死的恢复效果最佳。Qi等[17]将生物玻璃的市售系列装入海藻酸钠中制备复合水凝胶，局部注射到梗死周围的心肌组织中，可以促进血管生成，抑制细胞凋亡，上调血管生成蛋白的表达，减轻梗死面积，保留壁厚并最终改善心脏功能。生物玻璃-海藻酸盐复合水凝胶可以促进血管生成和心肌组织修复，其临床效果仍有待评价。
导电生物材料在体内外实验中均表现出了较好的导电性能，在梗死心肌区注射导电的海藻酸盐复合水凝胶可以帮助电脉冲的传输和维持稳定的心律。Karimi等[18]研究了海藻酸盐水凝胶中还原氧化石墨烯的掺入效应，发现其作为海藻酸盐中的电活性部分，可以增强海藻酸盐的导电特性和提高水凝胶的硬度，对心肌梗死后离子通道蛋白和连接蛋白之间的传导连接中断的恢复有重要作用。
多肽易于合成和存储，特定多肽还具有很好的生物活性，海藻酸盐水凝胶可以偶联对细胞受体特异的合成肽，以增强其和宿主细胞之间的黏附和分子识别能力。Tsur-Gang等[19]将细胞黏附肽RGD和YIGSR或非特异性RGE肽修饰到可注射海藻酸盐生物材料上，发现在减轻近期心肌梗死后瘢痕扩张或左心室重塑和功能方面的效果不如未修饰的海藻酸盐有效，有可能是因为多肽修饰后海藻酸盐表观黏度增加，减少了生物材料在梗死区的扩散。Yu等[20]在海藻酸钠上修饰RGD多肽以提高人脐静脉内皮细胞的黏附与增殖，将其注射到心肌梗死后5周的大鼠梗死区，可以增加小动脉的密度，显著促进局部血管生成。开发出具有不同生物活性的多肽，其在心肌梗死治疗中的应用也将越来越广泛。
蛋白质可以通过物理性或非特异性静电作用负载在海藻酸盐水凝胶中，用以向缺血心肌输送治疗性蛋白质。Qian等[21]将海藻酸盐和透明质酸与冻干的富血小板纤维蛋白（lyophilized platelet-rich fibrin，Ly-PRF）组成的新型水凝胶注射到梗死的心肌中时，该复合水凝胶中的Ly-PRF促进了梗死和边界区的血管生成和血管密度增加，从而挽救了缺血性心肌。Richter等[22]将海藻酸盐水凝胶进行了纤维蛋白混合、铁纳米颗粒包埋和血清蛋白涂层3层协同改性，其可以显著改善心肌梗死中内皮细胞的生存能力。负载蛋白质的海藻酸盐水凝胶为梗死区新生组织提供多种生长因子的直接获取途径，可有效改善心肌修复。
微小RNA（microRNAs，miRNAs）是一类非编码单链RNA，参与mRNA沉默和转录后基因表达调控，在心脏发育和心肌细胞增殖中起着至关重要的作用。Shafei等[23]将携带miRNA-126和miRNA-146a的外泌体封装在海藻酸盐水凝胶中，发现其在心肌梗死模型中可以上调血管生成标志物CD31和缝隙连接蛋白43（connexion43，Cx43），对细胞迁移、血管形成和血管内皮生长因子折叠的促进具有协同作用。越来越多的研究表明过表达或抑制特定的miRNAs可以诱导心肌细胞增殖和心脏再生。在临床前还要进一步优化递送系统，并对相关基因促进心肌修复的详细机制进行全面的研究。
细胞疗法是一种将活细胞注射、移植或植入患者体内以实现药物效果的疗法，海藻酸盐水凝胶可以负载不同的细胞群进行心肌内递送以增强细胞介导的心肌修复。Ghanta等[24]使用免疫逃避性的小分子修饰海藻酸盐，将大鼠间充质干细胞封装在核壳水凝胶胶囊中，并将它们植入心肌梗死后大鼠的心包囊中，发现其显著改善心肌梗死后心室功能，可维持细胞存活并增强疗效。Levit等[25]将人间充质干细胞封装在海藻酸盐水凝胶中，然后在生物相容性聚乙二醇水凝胶贴片中连接到梗死大鼠心脏上，发现海藻酸盐封装可以改善间充质干细胞的保留，促进旁分泌效应，同时改善梗死周围微血管和减少瘢痕。
Long等[26]将脂肪来源的干细胞与由海藻酸盐/丝胶质素层状涂层抗氧化系统通过水解程序制备了注射水凝胶，该水凝胶在细胞存活率、促血管生成、促炎症表达因子、射血分数、纤维面积和低断裂血管密度等方面具有良好效果。Hao等[27]把具有抗氧化作用的富勒烯醇纳米颗粒引入海藻酸盐水凝胶中，发现该复合水凝胶可以提高棕色脂肪干细胞（brown adipose stem cells，BADSCs）在活性氧环境下的存活以及向心肌细胞的分化能力，当把包封有BADSCs的凝胶注射到心肌梗死大鼠的梗死壁时，可提高移植细胞的存活率，并有效降低局部活性氧水平。Liu等[28]将天然海藻酸盐水凝胶和Au@Pt纳米颗粒（Au@Pt/Alg水凝胶）相结合来封装BADSCs以制备可注射干细胞载体，其可以积极调节微环境并携带干细胞进行心肌梗死治疗。
Munarin等[29]将藻酸盐微球嵌入排列整齐的人类诱导多能干细胞衍生心脏组织中，以提供血管生成因子VEGF和bFGF与形态发生因子音猬因子的混合物，刺激植入物中宿主内皮细胞的募集和形态发生，首次证明了心肌梗死后心脏再生的再肌肉化和再血管化联合疗法的有效性。
Leor等[30]根据海藻酸盐支架的亲水性和多孔性，将心肌细胞接种的大孔海藻酸盐支架成功植入梗死大鼠心脏，植入9周后发现支架几乎完全消失，与宿主融合良好，同时邻近的冠状动脉网络出现了密集的新生血管，实验大鼠左心室的扩张和衰竭得到减轻。Báez-Díaz等[31]在海藻酸盐-聚-L-赖氨酸-海藻酸盐中包封心肌球样细胞，可以提高细胞存活率和黏附性，在急性心肌梗死猪模型中注射10周后，可以观察到左心室射血分数值明显提高。Liu等[32]制备了一种基于藻酸盐/纤维蛋白的可注射水凝胶，用于将心肌细胞和VEGF局部输送到心脏梗死区域。递送的VEGF有利于血液恢复，缓解梗死区域的缺血微环境，从而提高移植心肌细胞的存活率，改善心功能。Follin等[33]将人脂肪源性基质细胞（adipose-derived stromal cells，ASCs）负载在海藻酸盐水凝胶中注射到急性心肌梗死大鼠中，结果表明ASCs能显著提高射血分数和缩小梗死面积，改善灌注量和提高细胞的存留率，但在海藻酸盐水凝胶中给药并不能改善细胞的存留或心肌功能。
海藻酸盐水凝胶具有类ECM特性，可以改善细胞的滞留能力，并为细胞生长和功能提供所需的时间支持，这对于负载的细胞能够在缺血心肌中存活并发挥作用极为重要。加快相关技术产品转化和临床应用，将推动再生医学和精准医学治疗在心肌梗死治疗中的发展。
旁分泌效应是干细胞治疗的主要机制，海藻酸盐水凝胶可以负载相应的细胞因子输送到梗死心肌中，实现一种替代性的无细胞治疗策略。Wu等[34]将木质素磺酸盐掺杂聚苯胺的纳米棒和编码血管内皮生长因子的腺相关病毒负载到海藻酸钙水凝胶中，设计了一种具有优异抗氧化和血管生成能力的可注射导电水凝胶，其可以为梗死心肌提供机械支持，减轻氧化应激损伤，促进血管生成并增强梗死区域的电信号。Wu等[35]制备了一种负载VEGF和含有骨形态发生蛋白9的丝素蛋白微球的可注射海藻酸盐复合水凝胶，可以在早期阶段促进血管形成，在长期阶段抑制心肌纤维化，对心脏功能的改善具有协同作用。Ali等[36]证明了含有治疗性促血管生成因子成纤维细胞生长因子-2的海藻酸盐-胶原蛋白微球水凝胶是一种很有前景且与临床相关的治疗性血管生成载体，对心肌梗死的治疗具有巨大潜力。Wu等[37]发现负载在硫酸海藻酸盐纳米颗粒中的促血管生成肝细胞生长因子和促存活、促肌生成的胰岛素样生长因子的递送可以改善心肌梗死后左心室功能的恢复。海藻酸盐水凝胶作为细胞因子持续释放的临时仓库，可以增强其在梗死区的保留，同时其在心肌修复中的顺序释放和呈递模式具有可控性。
细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是细胞分泌的生物颗粒，在细胞间的通讯中起到重要作用[38]。海藻酸盐水凝胶可以改善EVs在梗死区的稳定性和保留率。Gil-Cabrerizo等[39]开发并鉴定了一种基于海藻酸盐和胶原蛋白的新型可注射原位成型水凝胶，作为EVs的心脏输送载体。在心肌梗死大鼠模型中给药后，水凝胶在心脏中显示出长期滞留，并可持续释放EVs至少7 d。Lyu等[40]研究了海藻酸盐水凝胶中掺入骨髓间充质干细胞衍生的小细胞外囊泡（small extracellular vesicles，sEVs）对心肌梗死的治疗效果，发现其可以显著降低心肌梗死后第3天的心肌细胞凋亡并促进巨噬细胞的极化。负载EVs的海藻酸盐水凝胶为EVs提供一个可控释放平台，增加其在梗死心脏中滞留的能力。细胞外囊泡的制备、储存以及生物靶向性等仍需进一步优化。
海藻酸盐水凝胶在动物心肌梗死模型治疗中取得了很好的疗效，其已成为在心血管疾病临床试验中进行测试的首批生物材料之一[41]。
目前，已有4种基于海藻酸盐产品开展了临床试验，其中2种Algisyl-LVRTM和IK-5001已经完成试验，另外2种TCMR和Merike TM现进入阶段性总结，即将发表全部数据。
Algisyl-LVRTM是最常用和市售的海藻酸盐水凝胶，由杭州德诺科技有限公司与美国LoneStar Heart公司合作开发，已获得欧洲共同体认证。Algisyl-LVRTM具有非免疫原性、靶向特异性和易于凝胶化的特性，能够降低心脏张力和细胞应激，可用于维持扩张型心肌梗死患者的左心室重塑。迄今为止，已有多项临床试验报道表明Algisyl-LVRTM可以治疗心肌梗死。Ⅰ期临床试验（NCT00847964）在德国和波兰的3个临床研究点进行，入选的11名扩张型心肌病患者接受了Algisyl-LVRTM治疗，在治疗后第3天观察到超声心动图参数开始出现改善，术后30 d内死亡率为0，出院后第24个月射血分数提高了28%，左心室收缩末期和舒张末期尺寸分别减少了9%、12%[41]，在治疗后第3个月，患者的左心室更趋于椭圆形，左心室肌纤维应力变得更加均匀，壁厚度均有所增加[42]。Ⅱ期临床AUGMENT-HF试验（NCT01311791）在澳大利亚、德国、意大利、荷兰和罗马尼亚5个国家的14个研究中心招募了113名患者，筛选时发现有35名患者不符合条件或拒绝参与，最终入选的78名受试者经心外膜心肌内植入Algisyl-LVRTM，在第6个月观察到，与对照组相比，海藻酸盐水凝胶治疗组的患者最大摄氧量和6 min步行试验开始出现递增的趋势，美国纽约心脏病学会（New York Heart Association，NYHA）心功能等级也有所改善[43]，结果表明心肌内注射Algisyl-LVRTM比单独使用标准药物疗法更能有效改善运动能力和症状[44]。
Ⅰ期和Ⅱ期临床试验初步证明了在开胸手术时为心肌梗死患者注射Algisyl-LVRTM的可行性和安全性。
IK-5001也称海藻酸钠葡萄糖酸钙，由Bellerophon BCM有限责任公司开发，是一种新型自组装自分解的、可注射的生物可吸收心脏基质支架，被FDA列为器械。IK-5001是由1%藻酸钠＋0.3%葡萄糖酸钙制成，具有微创性和选择性的给药能力，可以直接停止急性心肌梗死后发生的重塑过程，用于解决近期心肌梗死患者大面积梗死的后遗症。Ⅰ期临床AUGMENT-HF试验（NCT00557531）在比利时和德国的部分研究机构进行，招募的首批27名患者（年龄18～75岁）经冠状动脉内植入IK-5001水凝胶，整个手术过程患者耐受性良好，受试者在注射后30、90、180 d后进行连续24 h心电图监测，没有观察到明显的室性心律失常，在治疗的6个月内，心力衰竭恶化的生物标志物氨基末端脑钠肽前体稳步下降[45]。Ⅱ期临床PRESERVATION-1试验（NCT01226563）在9个国家61个研究机构招募303名ST段抬高型心肌梗死患者进行更大的临床试验，按照随机分组的原则对其中201名受试者施用IK-5001[46]。IK-5001组和0.9%氯化钠溶液对照组在第6个月时的左室舒张末容积指数、心律失常发生率和QTc间期差异没有统计学意义，而且IK-5001组的严重不良事件发生率比对照组还高，有可能是以下3点原因导致：（1）对于本试验中的大面积梗死，IK-5001的植入量可能不够大；（2）由于本试验中患者的梗死面积非常大，可能根本无法防止重塑；（3）本试验没有检验在初级经皮冠状动脉介入治疗期间使用IK-5001是否会改变其效果，因为重复导管插入术会带来影响[47]。
与AUGMENT-HF试验一样，PRESERVATION I试验也显示出IK-5001对患者运动能力等功能结果的益处。但PRESERVATION I试验的结果表明IK-5001可能更适合那些梗死面积稍小但仍有左心室重塑不良风险的患者。
TCMR由美国MateraCor医疗器械公司开发，TCMR包括植入式水凝胶和微创心内膜输送系统，通过经心内膜心肌内的方式植入水凝胶，用于治疗晚期射血性心力衰竭的缺血性或非缺血性心力衰竭，对左心室修复的创伤较小并与其他心衰治疗方法互不干扰。在一项随机对照临床试验中，通过观察包括6 min步行试验和峰值氧在内的各种参数，发现TCMR治疗后患者的运动能力显著改善。随着运动能力的提高，接受治疗的患者在日常活动中从严重的身体限制转变为轻微的限制，同时其生活质量和心力衰竭相关的住院治疗也明显改善，经过1年的随访，症状稳定。这项临床试验表明TCMR可以通过微创左心室修复技术直接影响心室重塑，在心肌梗死治疗上具有临床安全性和显著疗效。
Merike TM由杭州德柯医疗科技有限公司完全自主研发并在我国完成首例临床，其是一种多组分的可植入性海藻酸盐水凝胶，可以作为人工心肌填充物，阻止心室的持续扩张，并使其恢复到更有利的形状和大小。这项临床试验（NCT04781660）由西京医院和空军军医大学第一附属医院陶凌教授及其团队一起完成，受试者为一名55岁的扩张型心肌病患者，将改良后的Merike TM经导管心内膜下植入患者体内的10个位点，改善了以往体内成胶时间不定、均匀性差和注射针头易堵塞等缺点。术后患者自觉症状明显减轻，治疗后第6个月，复查超声和MRI显示左心室射血分数较术前提高12%，左心室舒张及收缩末期容积均有所下降，患者的临床症状明显改善，为终末期危重心力衰竭患者带来新的治疗方案[48]。这项临床试验的现有数据表明Merike TM海藻酸盐水凝胶在治疗心肌梗死疗效和安全性方面有优异的表现，但长期效果还需进一步验证。
海藻酸盐的提取来源和条件、交联阳离子浓度、孔隙率、氧化程度、相对分子质量和结构单元比例是海藻酸盐水凝胶机械性能的关键决定因素，其可能会影响海藻酸盐溶液的原位凝胶化特性和随后的溶解。因此如何对海藻酸盐水凝胶的机械和溶胀性能进行精确控制仍有待深入研究。此外，心肌梗死的治疗受诸多方面的影响，单纯的海藻酸盐或简单地同其他材料相结合不能完美地解决心肌梗死带来的所有问题，而且在临床应用上还受到诸如伦理、技术和转化门槛高等相当多的条件限制。
在未来，期望海藻酸盐能够与更多药物、材料以及新兴技术结合，最大化地考虑到心肌梗死的发病机制，同时在临床上进行跨学科交叉融合，以期更好地发挥海藻酸盐在心肌梗死治疗上的效果。
所有作者均声明不存在利益冲突
