心肌梗死或心脏病发作每年影响美国80多万人。心脏病发作后，心脏会形成疤痕，导致心脏功能下降，最终可能导致心脏衰竭。目前的治疗选择是有限的，并有广泛的副作用。南卡罗来纳医科大学的研究人员与加拿大渥太华大学心脏研究所(BEaTS团队)的研究人员合作，利用最近开发的成像技术，揭示了可注射胶原蛋白材料如何在治疗心脏病发作方面具有治疗潜力的新见解。MUSC研究团队由佩吉·安吉尔博士领导，她是医学院的副教授。他们的发现于2021年10月29日在线发表在《美国质谱学会杂志》上。
“以前，我们的合作者只能检测到治疗的目标，”Angel解释说，“而我们实际上可以检测到治疗性的胶原肽。我们知道它在心肌梗塞的哪个部位扩散了。我认为这是一种更好的检测治疗效果的方法，应该会带来新的治疗方法，因为我们将知道与治愈部位连接的确切分子。”
在这项研究中，Angel的团队使用胶原水凝胶来研究引入的胶原如何影响心脏病疤痕并与之相互作用。水凝胶是主要由水组成的大分子群。高水分含量使它们在治疗中很有用，因为它们可以携带治疗方法并被人体接受。利用一项新技术，他们能够区分心脏的疤痕胶原蛋白和引入的生物材料，并分析它们在心脏病发作的伤口中的分布。
胶原蛋白是一种众所周知的蛋白质，经常被饮食和护肤品公司使用。人体有28种不同的胶原蛋白，每一种都有多种功能，取决于其结构和位置。Angel和同事们研究了纤维性胶原蛋白在心脏伤口愈合中的作用，纤维性胶原蛋白与商店里的产品不同。
安吉尔解释说:“与市面上出售的胶原蛋白补充剂的标签上所显示的序列相比，这是一个非常特殊的序列。”
BEaTS团队使用一种可注射的胶原蛋白材料，开发了一种治疗材料，可定位于心脏病发作区域。Angel解释说:“BEaTS团队准备的生物材料可以将治疗方法保存在特定的位置，比如疤痕。”“细胞可以感知生物材料的存在，并改变它们的反应。”
为了观察引入的治疗性胶原蛋白的效果，Angel使用了MALDI-IMS，即基质辅助激光解吸/电离成像质谱。质谱分析是一种相对较新的技术，可以检测组织样本中的带电分子。
“质谱法检测离子，一种带正电荷或负电荷的分子，就像一块小磁铁。质谱分析的工作原理是将小磁铁引导到探测器上，我们可以用不同的方法引导它们来检测不同类型的分子。”Angel说。
一种检测方法是IMS，即成像质谱法。在MALDI-IMS中，研究人员可以将离子定位到组织中的特定位置，在这种情况下是心脏。这使得研究人员可以收集有关潜在治疗方法的空间信息，这对开发治疗方法很有价值。
在这项研究中，实验室小鼠经历了实验性心脏病发作。然后用直接注射到心肌的人重组胶原水凝胶治疗小鼠，并由MALDI-IMS监测。为了识别注射的胶原蛋白，而不是小鼠体内自然生成的胶原蛋白，研究人员注射了人类胶原蛋白。由于胶原蛋白对每个物种都是独特的，不同的胶原蛋白可以用质谱仪检测出来。
Angel和她的团队的工作为研究生物材料注射提供了一种新技术。以前的研究只能检测特定治疗的最终结果，但这项研究允许可视化治疗及其在整个心脏和伤口区域的蔓延。通过分析治疗方法在伤口中的分布情况，研究人员可以评估治疗方法的有效性，并有望开发出新的、更清洁的技术来避免副作用。
在未来，IMS可能被用于治疗最有效的地方，并确定适当的交付位置和时间。以前的技术通常要求研究人员事先知道并标明他们要寻找的东西。质谱分析不需要先验知识或信息来做实验，因此可以有新的发现。
“你通常需要某种类型的标签或已知的分子作为目标。质谱作为一种发现技术很容易使用。我们可以检测各种各样的分子，从代谢物到脂质到蛋白质，甚至到DNA，”Angel说。
结合对胶原蛋白动力学如何影响心脏功能的更深入了解，这有助于研究人员开发新的疗法，使心脏病发作后心脏功能更强。她说，安吉尔的目标是继续开发新的方法来观察和治疗疾病。
