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组织诱导再生生物材料构建新思路:炎症细胞调控生物材料诱导干细胞迁移

生物材料在组织缺损修复与再生领域的研究不断深入,并从最初结构与功能单一的生物材料支架逐渐发展为复合细胞、生物活性因子等组分的复杂体系。生物材料能够为组织缺损部位的细胞及新生组织生长提供时间和空间维度的支撑。近年来,具有诱导组织再生功能的生物材料引起了研究人员的关注。其作用过程包括:募集体内的干细胞至组织缺损部位、诱导干细胞定向分化、促进新生组织结构与功能的重塑。研究表明:生物材料植入体内后首先面临的是受体的免疫排斥反应。急性的免疫排斥反应会使植入的生物材料表面形成纤维囊,阻碍修复性细胞的迁入、削弱新生组织与周围组织的结合能力,从而导致缺损修复和再生的失败。相对的,适度的免疫反应(炎症反应)能够促进修复性细胞向缺损部位迁移、提高组织之间的结合性、促进缺损的修复。因此,研究人员尝试通过化学改性的方法对生物材料进行免疫响应调控,以期降低生物材料体内植入后强烈的免疫排斥反应,同时又不影响正常的炎症反应对组织缺损的促修复作用。然而,生物材料植入体内后,分子级别的改性往往被复杂的体内微环境所覆盖,从而无法实现预期效果。

巨噬细胞是炎症反应中的主要细胞类型。研究表明,处于激活态的巨噬细胞能够分泌肿瘤坏死因子、白介素等炎症因子。同时,修复性细胞(干细胞)会在炎症细胞因子(包括肿瘤坏死因子、单核细胞趋化蛋白、巨噬细胞炎性蛋白、白介素等)浓度梯度的作用下发生定向迁移。理论上,利用受体自身的巨噬细胞对生物材料进行免疫调节,可以在一定程度上降低机体对生物材料的免疫排斥反应,同时,巨噬细胞分泌的细胞募集因子可以促进干细胞向生物材料内部迁移,从而提高生物材料内部修复性细胞数量、促进新生细胞外基质沉积量,从而实现生物材料对组织缺损的促修复作用。

组织诱导再生生物材料构建新思路:炎症细胞调控生物材料诱导干细胞迁移

基于该假设,浙江大学高长有教授及其团队在生物材料支架中构建了巨噬细胞诱导干细胞迁移的模型,并通过该模型验证了巨噬细胞调控生物材料诱导干细胞定向迁移的可行性。该团队制备了大孔聚乳酸-co-羟基乙酸生物支架,在支架一侧种植巨噬细胞,在对侧种植干细胞,通过体外培养,系统研究了时空维度上支架孔径以及巨噬细胞表型对干细胞迁移速度的影响。结果表明,该模型中潜在的炎症因子(巨噬细胞分泌)梯度会导致干细胞向支架内部的迁移速度加快。同时,生物材料支架的微观结构,即孔径大小,会影响干细胞对炎症因子浓度梯度的响应效率,进而影响其向支架内部的迁移速度。支架内部的大孔结构更有利于炎症因子梯度的形成,因此细胞迁移速度更快。

该模型的建立初步揭示免疫细胞、生物材料支架与干细胞之间的相互作用,为生物材料支架设计、原位干细胞募集以及组织缺损原位诱导再生提供了新思路。

本工作发表在Biotechnology Journal上(DOI: 10.1002/biot.201700297),原文链接为http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/biot.201700297/full,或点击阅读原文进行阅读。


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