如何设计生物材料，才能减弱免疫排斥反应？该课题组连发2篇顶刊或找到对策

Natt

2020-05-06

人工关节、支架和牙科植入物是使用生物材料来恢复功能或完全替换患病或受损组织的最常见设备。然而，生物材料植入体内后，宿主反应很常见，包括炎症、异物反应（FBR）和纤维囊发育等反应，这些反应可导致植入失败。这些反应是由附着在植入物表面的单核细胞和巨噬细胞的免疫细胞的激活所驱动的。已知材料或植入物表面上的物理特征（称为“形貌”）会影响巨噬细胞的附着。

问题来了，科学家和临床医生一直希望可以减弱人体对外植物产生免疫排斥反应，那什么样的聚合物表面会减弱免疫排斥反应呢？

近日，诺丁汉大学药学院Morgan R.Alexander联合生命科学学院Amir M. Ghaemmaghami的研究小组发现，可以改变聚合物材料的表面形状（形貌）和化学组成，以制造出控制人体免疫反应的材料。这可能在对抗包括人工关节、牙科植入物和血管植入物在内的医疗器械的排斥反应方面有着未来的应用。两项最新研究的结果已发表在Advanced Science和Matter上。

AmirGhaemmaghami教授表示：“我们正在研究如何创造出能够安全放入体内的材料，而不会让免疫系统攻击人体并引起排斥反应。为此，我们正在探索能够控制免疫反应的材料。我们已经使用高通量筛选技术来研究如何利用材料的形貌和化学特性来设计“免疫指示”表面，以便在植入物中使用，这会影响巨噬细胞功能，进而影响生物材料的异物反应。”

在Advanced Science上的论文，研究人员采用最新的高通量筛选方法，对2176种不同微模式的材料形貌与免疫细胞粘附和行为之间的关系进行了研究。结果表明，直径5-10 um的微米级柱是促进巨噬细胞粘附的关键，而微米级柱的密度是控制炎症反应的关键。

图|Advanced Science

在Matter上的论文指出，研究人员研究了高通量生物材料微阵列筛选方法在发现免疫指导材料中的应用。假设简单聚合物的化学多样性文库也可用于识别具有免疫调节特性的材料，特别是改变巨噬细胞表型的能力。

图|Matter论文示意图

首先，研究人员筛选了一个由141个甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酰胺单体组成的均聚物库，以研究它们诱导人类单核细胞分化为不同巨噬细胞表型的能力，使用表面标记的荧光标记将细胞分为M1或M2型。筛选的结果如下：

图|趋向M2和M1以及细胞附着力最高的前十均聚物

然后继续筛选了基于细胞附着及其在巨噬细胞中诱导M1和M2样表型的能力选择的“命中”材料。将其放大并用于一系列体外和体内实验，以评估其调节巨噬细胞表型和对植入异物反应的能力。研究发现了具有免疫指导作用的聚合物化学材料，成功地控制了临床前啮齿动物模型的免疫反应。

另外，还使用AI算法模拟材料化学和它们产生的细胞反应之间的关系。这些结果表明，不同的免疫指导性聚合物吸引不同数量的蛋白质吸附，并且显示：较厚的蛋白吸附层可能与M1样表型有关，而反之则与M2样反应有关。

Matter论文示意图

通讯作者Morgan Alexander教授表示：“这些最新发现丰富了诺丁汉大学进行的大量材料研究，令人兴奋的是，发现这些生物材料可能会真正改变医学植入领域的游戏规则。将这些材料用于商业产品将是我们进行这项研究的最终目标，目前仍然有一条路要走，但这些发现是朝着这一目标迈出的重要一步。”

参考文献：

1. Vassey, M.J., et al., Immune Modulation byDesign: Using Topography to Control Human Monocyte Attachment and MacrophageDifferentiation. Adv. Sci. 2020.

https://doi.org/10.1002/advs.201903392

2. Rostam HM, et al. Immune-InstructivePolymers Control Macrophage Phenotype and Modulate the Foreign Body ResponseIn Vivo. Matter. 2020.

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.03.018