急性心肌梗死主要是由冠狀動脈堵塞而引起的心肌缺血壞死。據統計，中國目前每年新發急性心肌梗死患者約50萬。不少急性心梗患者會錯過發病后的黃金救治時間（發病后2小時內），而導致較差的預后甚至死亡。
自誕生以來，金屬支架（bare metal stent, BMS）在急性心肌梗死的預防和治療中得到了廣泛的運用。植入的血管支架起到了血管再通，支撐狹窄血管，和改善血流的作用。然而，血小板能識別植入的金屬外來物并觸發支架內血栓的形成。此外，血管平滑肌細胞在金屬支架的刺激下也會過度增殖。這些因素導致了金屬支架較高的再狹窄風險（restenosis）。藥物洗脫支架(drug eluting stent, DES）應運而生。這種支架在金屬表面加了一層高分子涂層，能釋放抑制細胞增殖的藥物。藥物洗脫支架降低了支架再狹窄的發生概率。但是，這些藥物不僅抑制平滑肌細胞，同時也抑制血管內皮細胞，延長了其對支架的覆蓋進程，降低了支架的安全性和有效性。無論是金屬支架還是藥物洗脫支架，其主要作用都是對血管提供物理支撐，不具備修復缺血受損組織的生物功能。
成果簡介
為解決目前金屬支架和藥物洗脫支架的局限性，來自北卡大學教堂山分校和北卡州立大學的程柯教授課題組提供了一種嶄新的思路，即外泌體洗脫支架（exosome eluting stent, EES）。間充質干細胞分泌的外泌體已被證明能促進內皮細胞修復，血管生成以及組織修復。作為細胞外囊泡的一種，外泌體具備類似細胞膜的雙分子層膜結構，生物相容性高，免疫原性低。
課題組提出假設：
（1）當支架穿上了外泌體涂層這件類似細胞膜的“偽裝迷彩服”后，能否提高其生物相容性？
（2）釋放的外泌體能否促進支架的內皮化，降低支架再狹窄的風險？進而，這些外泌體能否促進下游組織修復？；
（3）能否利用血液中的損傷標志物（如活性氧自由基）控制外泌體的釋放，起到“隨叫隨到”的效果？
實驗結果表明，外泌體涂層可以提高金屬支架的生物相容性，促進血管內皮化。進一步研究發現，外泌體還可以抑制血管平滑肌細胞的遷移，減少炎癥反應，從而減少再狹窄發生的概率。更有趣的是，部分釋放的外泌體隨血液到達下游缺血組織，促進了肌肉組織修復和再生。相關成果近期以研究論文的形式發表在Nature Biomedical Engineering上。博士后研究員胡詩琪博士和李振華博士為本文的共同第一作者，程柯教授是本文的唯一通訊作者。
支架設計
首先，利用活性氧自由基（ROS）響應基團將金屬支架和磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇（DSPE-PEG）相連，從而在溫和條件下將外泌體均勻地連接在金屬支架上。實驗結果證明，支架表面結合了不止一層的外泌體。其結合的數目與支架表面積，聚乙二醇分子鏈長短以及孵育時間等有關。飛行時間二次離子質譜分析（ToF-SIMS）以及掃描電子顯微鏡（SEM）等表征說明外泌體被成功結合在支架表面。之后的實驗證明了ROS能觸發外泌體從支架上釋放。
圖1|外泌體洗脫支架的制備與表征
細胞實驗
外泌體洗脫支架直接作用于內皮細胞和平滑肌細胞。作者首先研究了支架對內皮細胞遷移和增殖的影響。金屬支架對于細胞增殖沒有明顯的促進或者抑制作用，藥物涂層支架會產生一定的抑制效果，外泌體洗脫支架在體外實驗中有效地促進了內皮細胞的增殖，遷移以及支架內皮化。更重要的是，間充質干細胞來源的外泌體能抑制平滑肌細胞的遷移。
圖2|金屬和外泌體洗脫支架對不同類型細胞的影響
大鼠腹主動脈植入實驗
為觀察外泌體洗脫支架的可行性和生物安全性，研究人員首先使用SD大鼠腹主動脈植入模型比對金屬支架和外泌體洗脫支架。通過SEM電鏡觀察，發現外泌體洗脫支架可減少炎癥細胞在支架上的富集。通過原位血管組織的PCR血栓相關基因的分析，發現外泌體洗脫支架的植入降低了部分血管組織內血栓相關基因的表達。
圖3|SD大鼠腹主動脈植入金屬支架或外泌體洗脫支架的對比實驗
血管病理分析
通過血管切片病理分析，研究人員發現相較于金屬支架組，藥物洗脫支架和外泌體洗脫支架均減少了血管狹窄。然而，藥物洗脫支架組的支架包覆率較低，而外泌體洗脫支架組具備更高的生物相容性和內皮化程度。
圖4|金屬支架，藥物洗脫支架，和外泌體洗脫支架植入后血管病理分析
ApoE-/- 大鼠腹主動脈植入實驗
為模擬動脈粥樣硬化，研究人員使用了ApoE-/- 大鼠（高脂喂養）對比了不同支架對血管細胞的影響。結果顯示：1）金屬支架和藥物洗脫支架組的內膜平滑肌細胞的α-SMA的表達非常不均勻，說明其不穩定，具有強的遷移力。而外泌體支架組的內膜平滑肌細胞α-SMA表達穩定，覆被均勻。2）金屬支架和藥物洗脫支架組的內膜中，均有很多新生的GluT1+的內皮細胞。這種內膜內的小血管可能會導致后期的血栓和再狹窄。3）外泌體洗脫支架減少了炎癥反應。
圖5|三種不同類型的支架植入ApoE-/- 大鼠腹主動脈
ApoE-/- 大鼠下肢缺血實驗
研究人員在ApoE-/-大鼠中植入支架的同時，也引入了單邊的下肢缺血模型。結果證明金屬支架和藥物洗脫支架組類似，對于缺血部位沒有治療效果。而外泌體洗脫支架可以在一定程度上促進缺血部位的血管生成和肌肉再生。
圖6|ApoE-/- 大鼠下肢缺血模型中外泌體洗脫支架的治療作用
仍存局限性
盡管取得了一些令人鼓舞的結果，但這項研究仍存在一些局限性。
1）首先，盡管可以通過優化連接基團來控制外泌體的數量，但外泌體的結合量仍然有限。未來可能還需要進一步引入涂層來結合更多的外泌體。
2）其次，所有實驗均為小型動物的短期植入。盡管病理結果和基因分析均表明外泌體支架會減少血栓的發展，仍需要大動物長期植入實驗來進一步判斷支架的再狹窄風險。
3）第三， 目前外泌體的生產制備仍存在批次穩定性和臨床轉化的難度。
小結
總而言之，研究人員設計了一種新型的生物響應、生物活性支架。該支架無高分子聚合物，無抑制增殖藥物，其生物相容性和治療作用均來自于其表面的外泌體涂層。該支架相較于目前市場上的金屬支架和藥物洗脫支架，可促進血管的內皮化，減少炎癥反應。更重要的是，該支架是一種具有生物治療作用的支架，釋放的外泌體可以隨血液到達下游缺血損傷部位，促進損傷組織的再生。
參考文獻：
Shiqi Hu. et al. Exosome-eluting stents for vascular healing after ischaemic injury. Nat. Biomed. Eng.
https://doi.org/10.1038/s41551-021-00705-0
