石墨烯 YYDS!Science Advances:石墨烯生物支架用于抑制器官移植的炎症反应,提高移植细胞的生存率

2021-11-24 15:48 · 苗攀登

研究者们开发了一种可植入的石墨烯生物支架,这种支架具有良好的生物相容性并且可以携带地塞米松(Dex),同时能够精确地调节移植微环境中的炎症反应。

糖尿病是一种常见的代谢类疾病,主要由于胰腺无法分泌足量的胰岛素造成血液循环中血糖含量紊乱。胰岛移植可用于治疗缺乏胰岛素分泌能力的糖尿病患者。目前进行的胰岛移植有两种:自身胰岛移植和同种异体胰岛移植。然而在胰岛细胞移植中,高达60%的胰岛细胞在移植后会立即失去生理活性,主要原因是来自即时血液介导的炎症反应(IBMIR)。现阶段防止IBMIR的一种常用策略是:不通过门静脉将胰岛细胞运送到肝脏,而在大网膜或皮下等血管外部位使用生物相容性三维生物支架植入胰岛细胞,即使如此,也会有不同程度的炎症反应。如果生物支架本身具有消炎的作用,那问题就会迎刃而解了。

OPE客户端下载最新版本11月,来自斯坦福的研究者们在Science 子刊上发表题为:《Localized drug delivery graphene bioscaffolds forcotransplantation of islets and mesenchymal stem cells》的文章,报道了关于三维支架用于胰岛细胞移植的最近工作进展。研究者们开发了一种可植入的石墨烯生物支架,这种支架具有良好的生物相容性并且可以携带地塞米松(Dex),使其成为局部消炎药传递平台,避免常规静脉注射地塞米松的全身性的副作用,同时能够精确地调节移植微环境中的炎症反应。

另一方面,这种生物支架含有可以容纳细胞的孔隙,可以用来移植胰岛细胞,也可以容纳其他细胞。在此研究中,研究者们就通过共移植胰岛和间充质干细胞(AD-MSCs)来提高胰岛细胞的存活率。之所以采取共移植的原因是,AD-MSCs能够分泌可溶性因子到其周围的微环境中,促进血管生成,减少炎症,并调节固有和适应性免疫系统,从而帮助胰岛移植、存活以及恢复移植后的功能,使胰岛具有更好的结构组织、血管重建和减少炎症。

在本研究中,研究者们使用化OPE客户端下载最新版本气相沉积(CVD)方法合成了三维石墨烯生物支架,然后通过聚多巴胺(PDA)纳米层用Dex涂层对其功能化,优化Dex的浓度,使其具有抗炎作用而不影响细胞功能。这种石墨烯生物支架由相互连接的大孔组成,足以在其晶格中均匀容纳胰岛和AD-MSCs,这也能防止细胞聚集,确保胰岛的更均匀分布,提高它们生存率的同时保留其功能性。

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利用CVD法,不同厚度(上薄、下厚)的模板制备出的三维结构,利用扫描电镜得出:薄石墨烯生物支架:大孔约 400 nm,小孔约 100 nm;厚的石墨烯生物支架:大孔= 800 nm,小孔约200 nm。Dex微粒子已被固定在石墨烯生物支架(K和O)表面(白箭头)。

由于其孔径分布(100 - 400 m)与胰岛细胞大小(通常在100 - 400 m之间)匹配,所以在本研究中选用了薄石墨烯生物支架。此外,通过优化的DEX的浓度为0.5 w/v%。首先,研究者们在体外环境中,把胰岛细胞与石墨烯-DEX生物支架共育,探究胰岛细胞的生存状态。实验表明,石墨烯-DEX生物支架可以明显减少胰岛细胞的聚集并提高生存率。

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培养7天后,与实验组(与石墨烯支架共育)相比,单独的胰岛细胞已经显示出聚集(B)。

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与对照组相比,石墨烯-DEX生物支架中活细胞百分比明显更高,随着DEX的含量升高,生存率逐渐升高。(绿色:生存,红色:死亡)

石墨烯-DEX成功制备和表征后,它的效果如何?是否能使高血糖小鼠的血糖含量回归正常范围?研究者们就用石墨烯-DEX生物支架和石墨烯支架(没有DEX)分别对高血糖模型小鼠进行了移植胰岛细胞的手术(分别移植单独的胰岛细胞或者共移植胰岛细胞和AD-MSCs)。研究者们利用链脲佐菌素(STZ)处理后,所有动物模型都出现高血糖状态。通过胰岛移植后并检测30内的血糖变化,实验结果表明,利用石墨烯-DEX生物支架共移植胰岛细胞和间充质干细胞(AD-MSCs)的实验组的血糖最低,也就是移植效果最好,利用石墨烯-DEX生物支架只移植胰岛细胞,效果次之;石墨烯生物支架移植胰岛细胞,效果再次之;单独胰岛细胞移植最差。

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高血糖模型的30天内血糖变化

相比之下,糖尿病小鼠,无论是单独接受胰岛或不使用Dex的石墨烯生物支架的胰岛,都无法在整个研究过程中恢复血糖控制。石墨烯- Dex生物支架移植单独的胰岛的糖尿病小鼠最初无法恢复血糖控制;然而在第14天,血糖得到了有效控制,并维持到研究的第30天结束。在评估对葡萄糖刺激的动态反应时,利用石墨烯-DEX生物支架共移植胰岛细胞和间充质干细胞(AD-MSCs)的实验组与其他所有组相比,30分钟空腹血糖值的峰值变化最小。葡萄糖负荷后120分钟,血糖值恢复到与基线(0分钟)相似的正常范围,表明糖耐量正常。在小鼠体内的生物支架提取出后,发现在脂肪组织内移植良好,没有粘连/纤维带。

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葡萄糖刺激动态反应实验,摄入葡萄糖后120 min内,不同移植情况的小鼠的血糖变化(E、F)。培养后的小鼠体内,石墨烯-DEX生物支架在脂肪组织内稳定,没有粘连/纤维带。

此外,研究者们还发现,当胰岛细胞被移植到生物支架中时,胰岛与AD-MSCs共移植的数量显著高于单独移植的胰岛细胞。在单独移植胰岛细胞的动物模型中,几乎看不到完整的胰岛,胰岛素染色细胞分散在胰岛周围,而不是分布在离散的胰岛结构中。相比之下,石墨烯-DEX生物支架中单独移植的胰岛,或与AD-MSCs一起移植的胰岛细胞,可以保持其原有大小和球形形态,并保持其固有结构。在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中培养12周后,石墨烯-DEX生物支架的生物降解度为5.4%。植入后3个月,石墨烯-DEX生物支架与皮下组织融合良好。并且移植后,3个月的动物模型的血液分析显示:血糖没有显著升高仍在正常范围内

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12周内,石墨烯-DEX生物支架的生物降价率变化(上),与皮下组织融合良好(下)。

综上,石墨烯-DEX生物支架能大大提高胰岛细胞的存活率,明显减弱移植手术后的炎症反应,使手术成功率更上一个台阶。这可能是未来的发展方向,不仅仅是胰岛细胞,在其他移植手术上也可以有更广泛的应用,促进了器官移植技术的进步。


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[1]Localized drug delivery graphene bioscaffolds for cotransplantation of islets and mesenchymal stem cells