科学进展:石墨烯支架用于抑制器官移植的炎症反应 提高移植细胞的存活率

来源：生物探索2021-11-24 12:54

糖尿病是一种常见的代谢性疾病，主要是由于胰腺不能分泌足够的胰岛素，导致血液循环中血糖含量紊乱所致。胰岛移植可用于治疗缺乏胰岛素分泌能力的糖尿病患者。目前胰岛移植有两种类型：自体胰岛移植和异体胰岛移植。然而，在胰岛细胞移植中，高达60%的胰岛细胞在移植后立即失去其生理活性，主要是由于立即的血液介导的炎症(IBMIR)。目前预防IBMIR的常用方法

是一种常见的代谢性疾病，主要是由于胰腺不能分泌足够的胰岛素，导致血液循环中血糖含量紊乱而引起的。胰岛移植可用于治疗缺乏胰岛素分泌能力的患者。目前胰岛移植有两种类型：自体胰岛移植和异体胰岛移植。然而，在胰岛细胞移植中，高达60%的胰岛细胞在移植后立即失去其生理活性，主要是由于立即的血液介导的炎症(IBMIR)。目前预防IBMIR的常用策略是：胰岛细胞不通过门静脉转运到肝脏，而是植入大网膜或皮下等血管外部的生物相容性三维生物支架。即便如此，也会有不同程度的炎症反应。如果支架本身有消炎作用，问题就解决了。

斯坦福大学的研究人员在《科学》杂志上发表了一篇题为：《Localized drug delivery graphene bioscaffolds forcotransplantation of islets and mesenchymal stem cells》的文章，报道了胰岛细胞移植三维支架的最新工作进展。研究人员开发了一种可植入的石墨烯支架，该支架具有良好的生物相容性，可携带地塞米松(Dex)，使其成为局部抗炎药物的递送平台，避免了常规静脉注射地塞米松的全身副作用，精确调控移植微环境中的炎症反应。

另一方面，这种生物支架含有可容纳细胞的孔隙，可用于移植胰岛细胞或其他细胞。在这项研究中，研究人员共同移植胰岛和间充质干细胞(AD-MSCs)以提高胰岛细胞的存活率。共移植的原因是AD-MSCs可以向其周围微环境分泌可溶性因子，促进血管生成，减少炎症，调节先天和适应性免疫系统，从而帮助胰岛移植，存活并恢复移植后的功能，使胰岛具有更好的结构和组织，重建血管，减少炎症。

本研究中，研究人员采用化学气相沉积法合成三维石墨烯支架，然后通过聚多巴胺(PDA)层用Dex涂层对其进行功能化，并优化Dex的浓度，使其具有抗炎作用而不影响细胞功能。这种石墨烯支架由相互连接的大孔组成，足以在其晶格中均匀容纳胰岛和AD-MSCs，这也可以防止细胞聚集，确保胰岛分布更加均匀，提高其存活率并保留其功能。

由于其孔径分布(100-400 m)与胰岛细胞的大小(通常在100-400 m之间)相匹配，因此本研究选择了薄石墨烯支架。此外，DEX的最佳浓度为0.5 w/v%。首先，研究人员将胰岛细胞与石墨烯-DEX支架体外共培养，探索胰岛细胞的存活状态。实验表明，石墨烯-DEX支架可以显著减少胰岛细胞的聚集，提高存活率。

石墨烯-DEX成功制备并表征后效果如何？高血糖小鼠的血糖含量能回到正常范围吗？研究人员使用石墨烯-DEX支架和石墨烯支架(不含DEX)移植高血糖小鼠胰岛细胞(分别为胰岛细胞单独移植或胰岛细胞与AD-MSCs联合移植)。研究人员用链脲佐菌素(STZ)治疗后，所有动物模型都显示高血糖。胰岛移植后30分钟内检测血糖变化。实验结果表明，采用石墨烯-DEX支架进行胰岛细胞与间充质干细胞(AD-MSCs)共移植的实验组血糖最低，即移植效果最好，其次是用于胰岛细胞移植的石墨烯-DEX支架。石墨烯支架移植胰岛细胞，效果又来了；单纯胰岛细胞移植是最糟糕的。

相比之下，小鼠无论是单独接受胰岛还是使用不含Dex的石墨烯支架，都无法在整个研究过程中恢复血糖控制。单独移植石墨烯-Dex支架的小鼠起初不能恢复血糖控制。然而，在第14天，血糖得到有效控制和维持，直到研究的第30天。在评估对葡萄糖刺激的动态反应时，与所有其他组相比，采用石墨烯-DEX支架共移植胰岛细胞和间充质干细胞(AD-MSCs)的实验组在30分钟时的空腹血糖峰值变化最小。葡萄糖负荷后120分钟，血糖水平恢复到与基线相似的正常范围(0分钟)，表明糖耐量正常。从小鼠体内提取生物支架后，发现其在脂肪组织中移植良好，无粘连/纤维带。

此外，研究人员还发现，当胰岛细胞移植到生物支架中时，与AD-MSCs共移植的胰岛数量明显高于单独移植的胰岛细胞。在单独移植胰岛细胞的动物模型中，几乎看不到完整的胰岛，胰岛素染色的细胞分散在胰岛周围，而不是分布在离散的胰岛结构中。相比之下，在石墨烯-DEX支架中单独移植或与AD-MSCs联合移植的胰岛细胞可以保持其原有的大小和球形，并保持其固有的结构。在磷酸盐缓冲盐水中培养12周后，石墨烯-DEX支架的生物降解度为5.4%。植入三个月后，石墨烯-DEX支架与皮下组织融合良好。移植后，动物模型3个月的血液分析显示血糖无明显升高，维持在正常范围内。

综上所述，石墨烯-DEX支架可以大大提高胰岛细胞的存活率，显著减弱移植后的炎症反应，使手术成功率更上一层楼。这可能是未来的发展方向，不仅仅是胰岛细胞，还可以广泛应用于其他移植手术，推动了技术的进步。(100yiyao.com)