人工關節(jié)、支架和牙科植入物是使用生物材料來恢復功能或完全替換患病或受損組織的最常見設備。然而，生物材料植入體內(nèi)后，宿主反應很常見，包括炎癥、異物反應（FBR）和纖維囊發(fā)育等反應，這些反應可導致植入失敗。這些反應是由附著在植入物表面的單核細胞和巨噬細胞的免疫細胞的激活所驅(qū)動的。已知材料或植入物表面上的物理特征（稱為“形貌”）會影響巨噬細胞的附著。
問題來了，科學家和臨床醫(yī)生一直希望可以減弱人體對外植物產(chǎn)生免疫排斥反應，那什么樣的聚合物表面會減弱免疫排斥反應呢？
近日，諾丁漢大學藥學院Morgan R.Alexander聯(lián)合生命科學學院Amir M. Ghaemmaghami的研究小組發(fā)現(xiàn)，可以改變聚合物材料的表面形狀（形貌）和化學組成，以制造出控制人體免疫反應的材料。這可能在對抗包括人工關節(jié)、牙科植入物和血管植入物在內(nèi)的醫(yī)療器械的排斥反應方面有著未來的應用。兩項最新研究的結果已發(fā)表在Advanced Science和Matter上。
AmirGhaemmaghami教授表示：“我們正在研究如何創(chuàng)造出能夠安全放入體內(nèi)的材料，而不會讓免疫系統(tǒng)攻擊人體并引起排斥反應。為此，我們正在探索能夠控制免疫反應的材料。我們已經(jīng)使用高通量篩選技術來研究如何利用材料的形貌和化學特性來設計“免疫指示”表面，以便在植入物中使用，這會影響巨噬細胞功能，進而影響生物材料的異物反應。”
在Advanced Science上的論文，研究人員采用最新的高通量篩選方法，對2176種不同微模式的材料形貌與免疫細胞粘附和行為之間的關系進行了研究。結果表明，直徑5-10 um的微米級柱是促進巨噬細胞粘附的關鍵，而微米級柱的密度是控制炎癥反應的關鍵。
圖|Advanced Science
在Matter上的論文指出，研究人員研究了高通量生物材料微陣列篩選方法在發(fā)現(xiàn)免疫指導材料中的應用。假設簡單聚合物的化學多樣性文庫也可用于識別具有免疫調(diào)節(jié)特性的材料，特別是改變巨噬細胞表型的能力。
圖|Matter論文示意圖
首先，研究人員篩選了一個由141個甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酰胺單體組成的均聚物庫，以研究它們誘導人類單核細胞分化為不同巨噬細胞表型的能力，使用表面標記的熒光標記將細胞分為M1或M2型。篩選的結果如下：
圖|趨向M2和M1以及細胞附著力最高的前十均聚物
然后繼續(xù)篩選了基于細胞附著及其在巨噬細胞中誘導M1和M2樣表型的能力選擇的“命中”材料。將其放大并用于一系列體外和體內(nèi)實驗，以評估其調(diào)節(jié)巨噬細胞表型和對植入異物反應的能力。研究發(fā)現(xiàn)了具有免疫指導作用的聚合物化學材料，成功地控制了臨床前嚙齒動物模型的免疫反應。
另外，還使用AI算法模擬材料化學和它們產(chǎn)生的細胞反應之間的關系。這些結果表明，不同的免疫指導性聚合物吸引不同數(shù)量的蛋白質(zhì)吸附，并且顯示：較厚的蛋白吸附層可能與M1樣表型有關，而反之則與M2樣反應有關。
Matter論文示意圖
通訊作者Morgan Alexander教授表示：“這些最新發(fā)現(xiàn)豐富了諾丁漢大學進行的大量材料研究，令人興奮的是，發(fā)現(xiàn)這些生物材料可能會真正改變醫(yī)學植入領域的游戲規(guī)則。將這些材料用于商業(yè)產(chǎn)品將是我們進行這項研究的最終目標，目前仍然有一條路要走，但這些發(fā)現(xiàn)是朝著這一目標邁出的重要一步。”
參考文獻：
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
