具有免疫調節(jié)作用的用于氣管修復的3D打印植入物

來源：上普生物

近期，法國科學家A.Dupret-Bories組在BioMaterials期刊上發(fā)表了“Biofunctionalization of 3D-printed silicone implants with immunomodulatory hydrogels for controlling the innate immune response: an in vivo model of tracheal defect repair”的文章。

摘要：3D打印有機硅（PDMS）植入物為具有高度精確的解剖結構一致性的個性化植入物提供了前景。但是，仍然存在潛在的不利影響，例如由于免疫反應而形成的肉芽腫。解決該問題的一種潛在方法是使用免疫調節(jié)涂層控制植入物/宿主界面。在這項研究中，設計了一種新的由白介素10和前列腺素E2組成的細胞因子混合物，以通過將巨噬細胞固定在M2修復表型中延長時間來減少不良免疫反應并促進組織整合。在體外，細胞因子混合物維持低水平的促炎細胞因子（TNF-α和IL-6）分泌，并誘導IL-10的分泌以及多功能清除和分選受體Staabilin-1的上調（由M2巨噬細胞表達）。然后，將這種混合物裝載在基于明膠的水凝膠中，以開發(fā)出可以用作醫(yī)療設備涂層的免疫調節(jié)材料。在通過3D打印的有機硅植入物重建氣管缺損的體內大鼠模型中證明了這種涂層的功效。涂層在有機硅植入物上穩(wěn)定超過2周，并且雞尾酒成分的控釋達到至少14天。

在體內，僅有33％的帶有裸露有機硅植入物的動物存活下來，而100％的動物在配備了免疫調節(jié)水凝膠的植入物中得以存活。水凝膠和細胞因子混合物的存在減少了炎性組織的厚度，急性和慢性炎癥的強度，整體成纖維細胞反應，水腫的存在和纖維蛋白樣物質的形成（通過組織學評估），并導致了100 ％ 存活率。在全身水平，免疫調節(jié)水凝膠的存在在第7天顯著降低了促炎細胞因子，如TNF-α，IFN-γ，CXCL1和MCP-1的水平，并顯著降低了IL-1α，IL-1β，CXCL1和MCP-1在第21天的水平。這種新型免疫調節(jié)水凝膠一旦應用于3D打印的有機硅植入物，便具有控制炎癥水平的能力。此類薄涂層可以應用于組織工程中使用的任何植入物或支架，以減少初始免疫反應，改善這些材料的整合性和功能性并減少與其存在相關的潛在并發(fā)癥。

圖1 將明膠水凝膠包衣并在3D打印的硅膠氣管貼片上加載M2Ct2混合物

圖2 實驗設計

圖3 從健康供體的外周血中分離人單核細胞衍生的巨噬細胞，并在無刺激（SFM培養(yǎng)基）或補充有M2Ct1或M2Ct2的細胞培養(yǎng)基（SFM）中培養(yǎng)6天。

圖4 細胞CD68+染色

圖5 細胞Stabilin-1染色

圖6 明膠涂層的穩(wěn)定性

圖7 在體內不同時間點血清中6種促炎細胞因子的定量實驗

圖8HE染色

結論
含有特定免疫調節(jié)細胞因子的類ECM薄涂層可用于控制不可降解植入物材料與周圍組織的相互作用。在本文中，研究者證明了還可以阻止MMP分泌的M2巨噬細胞表型誘導雞尾酒可以使促炎性細胞因子釋放量保持較低，并在2D和3D條件下誘導M2巨噬細胞極化。這種雞尾酒可以裝在薄明膠水凝膠中，并且可以緩慢釋放以形成界面，該界面不利于慢性炎癥，并且在局部和全身水平均具有抗炎作用。受控界面的這種組合可用于通過幫助消炎和促進融合來改善植入的效果。該免疫調節(jié)策略是氣管工程領域的主要興趣。確實，氣管對于呼吸至關重要。因此，如果它變窄或塌陷，將危及生命。在氣管置換術上進行的大多數(shù)體內研究都需要放置支架，以避免由于顆粒和炎性組織的光滲透而引起的狹窄。這需要全身麻醉以去除支架和耐受性問題。腔內支架顯示出嚴重的并發(fā)癥（遷移，肉芽組織和生物膜引起的阻塞）。在研究者的研究中，沉積免疫調節(jié)涂層后，顯著減少了氣管內腔的內部炎癥，氣管內腔保持寬大，無需使用支架即可正常呼吸。然后，這種免疫調節(jié)水凝膠可以用作組織工程和再生醫(yī)學中當前材料的表面涂層。

參考文獻
J. Barthes, et al. Biofunctionalization of 3D-printed silicone implants with immunomodulatory hydrogels for controlling the innate immune response: an in vivo model of tracheal defect repair,
Biomaterials,2020,120549,0142-9612,
https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120549.