具有免疫調(diào)節(jié)作用的用于氣管修復(fù)的3D打印植入物

來源：上普生物

近期，法國(guó)科學(xué)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(jī)硅（PDMS）植入物為具有高度精確的解剖結(jié)構(gòu)一致性的個(gè)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(yīng)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(diào)節(jié)涂層控制植入物/宿主界面。在這項(xiàng)研究中，設(shè)計(jì)了一種新的由白介素10和前列腺素E2組成的細(xì)胞因子混合物，以通過將巨噬細(xì)胞固定在M2修復(fù)表型中延長(zhǎng)時(shí)間來減少不良免疫反應(yīng)并促進(jìn)組織整合。在體外，細(xì)胞因子混合物維持低水平的促炎細(xì)胞因子（TNF-α和IL-6）分泌，并誘導(dǎo)IL-10的分泌以及多功能清除和分選受體Staabilin-1的上調(diào)（由M2巨噬細(xì)胞表達(dá)）。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(shè)備涂層的免疫調(diào)節(jié)材料。在通過3D打印的有機(jī)硅植入物重建氣管缺損的體內(nèi)大鼠模型中證明了這種涂層的功效。涂層在有機(jī)硅植入物上穩(wěn)定超過2周，并且雞尾酒成分的控釋達(dá)到至少14天。

在體內(nèi)，僅有33％的帶有裸露有機(jī)硅植入物的動(dòng)物存活下來，而100％的動(dòng)物在配備了免疫調(diào)節(jié)水凝膠的植入物中得以存活。水凝膠和細(xì)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(qiáng)度，整體成纖維細(xì)胞反應(yīng)，水腫的存在和纖維蛋白樣物質(zhì)的形成（通過組織學(xué)評(píng)估），并導(dǎo)致了100 ％ 存活率。在全身水平，免疫調(diào)節(jié)水凝膠的存在在第7天顯著降低了促炎細(xì)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(diào)節(jié)水凝膠一旦應(yīng)用于3D打印的有機(jī)硅植入物，便具有控制炎癥水平的能力。此類薄涂層可以應(yīng)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(yīng)，改善這些材料的整合性和功能性并減少與其存在相關(guān)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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

圖4 細(xì)胞CD68+染色

圖5 細(xì)胞Stabilin-1染色

圖6 明膠涂層的穩(wěn)定性

圖7 在體內(nèi)不同時(shí)間點(diǎn)血清中6種促炎細(xì)胞因子的定量實(shí)驗(yàn)

圖8HE染色

結(jié)論
含有特定免疫調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)胞表型誘導(dǎo)雞尾酒可以使促炎性細(xì)胞因子釋放量保持較低，并在2D和3D條件下誘導(dǎo)M2巨噬細(xì)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(jìn)融合來改善植入的效果。該免疫調(diào)節(jié)策略是氣管工程領(lǐng)域的主要興趣。確實(shí)，氣管對(duì)于呼吸至關(guān)重要。因此，如果它變窄或塌陷，將危及生命。在氣管置換術(shù)上進(jìn)行的大多數(shù)體內(nèi)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(nèi)支架顯示出嚴(yán)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(diào)節(jié)涂層后，顯著減少了氣管內(nèi)腔的內(nèi)部炎癥，氣管內(nèi)腔保持寬大，無需使用支架即可正常呼吸。然后，這種免疫調(diào)節(jié)水凝膠可以用作組織工程和再生醫(yī)學(xué)中當(dāng)前材料的表面涂層。

參考文獻(xiàn)
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.