Adv. Mater.北京大學-從微觀到宏觀：微圖案支架的層次設計用于細胞組裝和移植

【引言】

組織支架利用多方面的材料特性來促進功能結構的創建以達到組織修復和替換的目的。在細胞/亞細胞水平上，支架可以調節局部生物化學，生物力學和質量輸運微環境以促進細胞活力和功能。在更大的尺度上，例如幾百微米到幾毫米，支架的空間特性使得細胞的幾何裝配不僅能夠效仿天然組織結構，而且允許細胞以最優的組織形式進行大量的移植。特別是隨著干細胞技術的快速發展，不同微尺度的組織或類器官可以大規模生產。盡管從這些微組織中重新產生組織仍然是一個艱巨的任務，但是在可預見的未來，利用能夠有效植入細胞的具有人工圖案/結構的結構體來進行組織修復/替換代表著一種實用的方法。因此，支架的拓撲和空間特征的層次設計是促進組織工程和細胞療法的關鍵步驟。

【成果簡介】

近日，來自北京大學的羅瑩（通訊作者）課題組報導了一種微孔圖案化膜支架，這種支架可以將同基因胰島移植到患有糖尿病的嚙齒動物體內來改善高血糖的狀況，此外還能作為免疫隔離材料（防止植入的細胞與免疫細胞接觸），利用這一點，作者還將間充質干細胞植入體內來治療糖尿病。這種支架是以聚氨酯為基底，整合了納米和微米形貌特征（納米特征是指基底的固有特征，微米指的是基底上的圖案，分別可以促進細胞功能和組織反應和允許胰島和間充質干細胞高密度聚集）。研究表明，這種支架允許單個細胞/微組織有效地的組裝，使得能夠在空間上控制移植細胞，并且改善移植物在體內的移植療效，達到更好的糖尿病治療效果。

【圖文導讀】

圖1 微圖案支架的層次設計概念示意圖解

a）微孔圖形化支架的設計具有微尺度和局部特征，用于控制細胞組裝和細胞微環境

b）支架可以用于將胰島和間充質干細胞（MSCs）組裝成陣列，以改善它們在治療糖尿病小鼠中的移植效果。

圖2 PU-mw支架的制造和表征

a）靜電紡絲法制備PU-mw支架工藝示意圖;

b）圖案化電紡膜SEM圖（圖中的紅色和黑色框區域分別在（c）和（d）中放大）

c）良好定義的微孔結構

d）納米纖維基材料

e）由鑷子夾持的高機械強度PU-mw支架。

圖3 PU-mw的功能和可植入性研究

a）PU-mw的微孔圖案上生成的胰島陣列顯示出良好的活力

b）通過熒光染色顯現，自由懸浮的胰島融合在一起，并形成壞死區域（分別以綠色和紅色顯示活細胞和死細胞）

c）沉降在微孔底部的胰島的SEM圖像

d）高倍放大圖像（（c）中的紅框區域），顯示貼附在纖維微孔內壁上的多細胞胰島的光滑的邊緣

e）PU-mw上的胰島顯示出更高的代謝活性以及f）葡萄糖反應

圖4 PU-mw 上的胰島可促進鏈尿佐菌素（STZ）誘導的小鼠的糖尿病狀況的逆轉

a）含有臨界治療量胰島的PU-mw構建體的同基因移植后的非空腹血糖測量：80％的受者（8/10，黑線）血糖降低，直到取回移植物，此時小鼠回復到其移植前高血糖狀態

b）在三個月內沒有在游離胰島接受者（0/6）中觀察到血糖恢復正常

c）IPGTTs分別顯示具有PU-mw-胰島構建體和游離胰島的小鼠受體中正常和非反應性葡萄糖調節

d）嵌入在薄的血管化附睪脂肪組織中的PU-mw-胰島的照片（分別為移植后（頂部）以及移植90天后增厚的EFP膠囊（底部））

e）胰島移植維持圖案化組織

f）在體內的第100天PU-mw頂部的EFP位點處的陽性胰島素分泌

g）和h）分別是e）和f）中的方框區域的放大圖像（星號，箭頭和箭頭分別表示PU-mw支架，胰島和血管）
比例尺：e）200 μm 和 f）50μm

圖5 PU-mw提供MSC移植物免疫緩和的環境以減輕大鼠模型中的T1D

a）MSCs自發形成的球體

b）微孔中的延伸粘性假足

c）PU-mw中培養的MSC球體相比較微孔板上的細胞，抗炎（TSG-6，iNOS和COX-2）和促血管生成基因（IGF-1，VEGF和FGF-2）的表達升高

d）含MSC陣列的PU-mw膜制造的宏型膠囊裝置

e）非空腹血糖測量顯示，移植有免疫隔離MSC的77.8％的受體恢復了（甚至在移植物移植后仍維持）正常血糖

f）在三個月內沒有在游離MSCs接受者（0/5）中觀察到糖尿病的逆轉

g）IPGTTs顯示分別在含有PU-mw-MSCs構建體和游離MSCs的大鼠接受者中正常和非反應性葡萄糖調節

h）4天和i）28天體內培養的MSC滿載裝置的H＆E染色（星號和箭頭分別表示PU-mw和MSC球狀體的）

j）植入四周后由血管化脂肪組織包圍的取回的MSC負載裝置的照片

k）接受免疫分離的MSC陣列的大鼠的胰腺（H＆E染色）顯示良好血管化以及移植2個月后的呈顆粒化的胰島結構；

l）相比之下，在移植有游離MSCs的大鼠中觀察到含有受損細胞的相對較小的胰島
比例尺：a，h）100ám，i）200ám和b，k，l）50ám

文獻鏈接：From Micro to Macro: The Hierarchical Design in a Micropatterned Scaffold for Cell Assembling and Transplantation（Adv. Mater.,2016, DOI: 10.1002/adma.201604600）

本文由材料人生物材料組陳鑫供稿，材料牛編輯整理。

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