Adv. Funct. Mater.報道：基于免疫調節改善軟組織和金屬植入物整合的策略及其意義

【背景介紹】

目前，金屬植入物已廣泛應用于骨科、牙科、神經外科、耳鼻喉科等各醫學領域中。然而，由于與軟組織金屬植入物整合相關的差異，一般對軟組織整合的普遍看法是負面的，并且大多數研究人員在開發金屬軟組織材料時都盡量避免這種情況。因此，當前可用的金屬軟組織植入物通常應用于需要原位支撐并且不需要整合到周圍軟組織中的情況下（如心臟支架），從而限制了金屬植入物在軟組織區域中的應用。

【成果簡介】

基于此，中山大學附屬口腔醫院的陳澤濤研究員和陳卓凡教授（共同通訊作者）聯合報道了一種基于免疫調節的策略來調控免疫微環境，改善金屬植入物軟組織的整合。鑒于巨噬細胞在軟組織對金屬植入物反應中的重要作用，研究人員使用了巨噬細胞，并評估了M1和M2巨噬細胞免疫微環境的細胞因子特征對金屬植入物軟組織整合的潛在調節作用。然后描述了不同免疫微環境對模型金屬植入物（鈦合金盤）上培養的模型軟組織細胞（人牙齦上皮細胞）的調節作用，并揭示了FAK-AKT-mTOR信號轉導的潛在機制。為進一步證明這種概念，作者制備了IL-4/PDA（聚多巴胺）涂層鈦合金植入物以調節M2巨噬細胞的極化，發現該植入物可改善體內金屬植入物-軟組織的整合。相信這種基于免疫調節的策略將改變原有的看法，并鼓勵積極開發具有良好軟組織整合特性的金屬材料，從而提高金屬植入物穿孔的成功率，拓寬其在軟組織相關領域的應用。研究成果以題為“Immunomodulation-Based Strategy for Improving Soft Tissue and Metal Implant Integration and Its Implications in the Development of Metal Soft Tissue Materials”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、金屬植入物在人體中的應用以及本文研究思路
（A）金屬材料在與軟組織相關的領域中的應用；

（C）本文研究的實驗流程。

圖二、剖析M1和M2免疫微環境及其對軟組織和金屬植入物整合可能的影響
（A-C）基因存在論（GO）分析揭示了富含差異表達的細胞因子細胞成分（A）、分子功能（B）和生物過程（C）的術語；

（D）M1/M2免疫微環境差異表達的細胞因子的熱圖樣功能分類。

圖三、不同的免疫微環境對人牙齦上皮細胞行為的影響
（A）利用CCK-8評估在不同免疫微環境下，在光滑的鈦合金圓盤上培養的人牙齦上皮細胞的細胞存活率和增殖；

（B）在傷口愈合試驗中，具有不同免疫微環境的光滑牙鈦合金盤上人牙齦上皮細胞遷移的代表性圖像和半定量統計分析；

（C）在不同免疫微環境中，培養1 h的光滑鈦合金盤上粘附的人牙齦上皮細胞總數和脫落的人牙齦上皮細胞比例；

（D）在不同免疫微環境下，在光滑的鈦合金圓盤上培養24 h的人牙齦上皮細胞的擴散和形態的代表性SEM圖像。

圖四、人牙齦上皮細胞中與粘附相關的基因和蛋白質表達
（A）在培養24 h后，通過TEM分析在植入物和人牙齦上皮細胞之間的界面處檢測到半球體；

（B）在培養的具有不同免疫微環境的人牙齦上皮細胞的代表性免疫熒光圖像和半定量統計分析

（C）具有代表性的蛋白質印跡圖像和粘附在培養的人牙齦上皮細胞中粘附相關蛋白表達的半定量統計分析。

圖五、人牙齦上皮細胞中的激活信號通路
（A）KEGG分析顯示，在M1/M2免疫微環境中，前十個信號通路具有不同細胞因子的表達；

（B）在培養的人牙齦上皮細胞中，AKT-mTOR信號通路相關基因表達的RT-qPCR結果；

（C）具有代表性的免疫印跡圖像，以及培養的人牙齦上皮細胞中AKT-mTOR信號通路相關蛋白表達的半定量統計分析。

圖六、驗證FAK-AKT-mTOR通路在人牙齦上皮細胞中的關鍵作用
（A）在具有FAK、AKT和mTOR抑制劑的M2免疫微環境培養人牙齦上皮細胞中，FAK-AKT-mTOR通路信號傳導途徑蛋白表達的代表性蛋白質印跡圖像和半定量統計分析；

（B）在具有FAK、AKT和mTOR抑制劑的M2免疫微環境中培養的人牙齦上皮細胞總數和脫落的人牙齦上皮細胞比例;

（C）在傷口愈合試驗中，具有M2免疫微環境并帶有FAK、AKT和mTOR抑制劑的M2免疫微環境的遷移人牙齦上皮細胞的代表性圖像。

圖七、開發具有免疫調節特性的金屬植入物
（A-B）本研究中使用的微型植入物的設計和概述；

（C）PDA涂覆前后的微植入物的SEM圖；

（D）PDA涂層前后的微型植入物的XPS圖；

（E）通過ELISA評估的IL-4濃度。

圖八、評估大鼠中IL-4/PDA涂層金屬植入物的軟組織整合特性
（A-B）動物實驗的手術程序和術后2周的愈合狀態；

（C）H＆E染色結果表明在所有組中，微型植入物周圍都形成了新的上皮層，并且基本上平行于植入物的長軸而沒有網狀釘；

（D-E）IHC染色和通用巨噬細胞標記CD68、M2巨噬細胞標記CD206和半橋粒相關蛋白層粘連蛋白5α3的表達的半定量分析結果。

【總結】

綜上所述，作者提出一種基于免疫調節的策略，通過調整植入物的特性，從而在植入部位靶向局部免疫微環境，進而調控軟組織和植入物的整合。鑒于巨噬細胞是關鍵的免疫效應物，而FAK-AKT-mTOR信號傳導途徑是介導軟組織/金屬整合的一種途徑，作者將免疫智能金屬植入物設計為誘導巨噬細胞轉換為M2表型，生成更多IGF-1等，并激活FAK-AKT-mTOR信號通路，從而改善整合。此為，該金屬材料還具有出色的機械和物理性能，可以改善的軟組織整合性。這種基于免疫調節的策略將改變對金屬材料軟組織整合的負面看法，并促進具有良好軟組織整合特性的新型金屬材料的積極發展。該策略可極大提高金屬植入物穿孔的成功率，并擴大金屬材料在軟組織相關領域的應用，從而有助于滿足對先進金屬軟組織材料的重要臨床需求。

文獻鏈接：Immunomodulation-Based Strategy for Improving Soft Tissue and Metal Implant Integration and Its Implications in the Development of Metal Soft Tissue Materials（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.201910672）

本文由CQR編譯。

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