基礎(chǔ)科研 | 石墨烯 YYDS！Science Advances：石墨烯生物支架用于抑制器官移植的炎癥反應(yīng)，提高移植細(xì)胞的生存率

來(lái)源：生物探索作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2021-11-24 10:00:00【大中小】

糖尿病是一種常見(jiàn)的代謝類(lèi)疾病，主要由于胰腺不能分泌足量的胰島素造成血液循環(huán)中血糖含量紊亂。胰島移植可用于治缺乏胰島素分泌能力的糖尿病患者。目前進(jìn)行的胰島移植有兩種:自身胰島移植和同種異體胰島移植。然而在胰島細(xì)胞移植中，高達(dá)60%的胰島細(xì)胞在移植后會(huì)立即失去生理活性，主要原因是來(lái)自即時(shí)血液介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)(IBMIR)。現(xiàn)階段防止IBMIR的一種常用策略是：不通過(guò)門(mén)靜脈將胰島細(xì)胞運(yùn)送到肝臟，而在大網(wǎng)膜或皮下等血管外部位使用生物相容性三維生物支架植入胰島細(xì)胞，即使如此，也會(huì)有不同程度的炎癥反應(yīng)。如果生物支架本身具有消炎的作用，那問(wèn)題就會(huì)迎刃而解了。

2021年11月，來(lái)自斯坦福的研究者們?cè)?strong>Science 子刊上發(fā)表題為：《Localized drug delivery graphene bioscaffolds forcotransplantation of islets and mesenchymal stem cells》的文章，報(bào)道了關(guān)于三維支架用于胰島細(xì)胞移植的近期工作進(jìn)展。研究者們開(kāi)發(fā)了一種可植入的石墨烯生物支架，這種支架具有良好的生物相容性并且可以攜帶地塞米松(Dex)，使其成為局部消炎藥傳遞平臺(tái)，避免常規(guī)靜脈注射地塞米松的全身性的副作用，同時(shí)能夠精確地調(diào)節(jié)移植微環(huán)境中的炎癥反應(yīng)。

另一方面，這種生物支架含有可以容納細(xì)胞的孔隙，可以用來(lái)移植胰島細(xì)胞，也可以容納其他細(xì)胞。在此研究中，研究者們就通過(guò)共移植胰島和間充質(zhì)干細(xì)胞(AD-MSCs)來(lái)提高胰島細(xì)胞的存活率。之所以采取共移植的原因是，AD-MSCs能夠分泌可溶性因子到其周?chē)奈h(huán)境中，促進(jìn)血管生成，減少炎癥，并調(diào)節(jié)固有和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，從而幫助胰島移植、存活以及恢復(fù)移植后的功能，使胰島具有更好的結(jié)構(gòu)組織、血管重建和減少炎癥。

在本研究中，研究者們使用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法合成了三維石墨烯生物支架，然后通過(guò)聚多巴胺(PDA)納米層用Dex涂層對(duì)其功能化，優(yōu)化Dex的濃度，使其具有抗炎作用而不影響細(xì)胞功能。這種石墨烯生物支架由相互連接的大孔組成，足以在其晶格中均勻容納胰島和AD-MSCs，這也能防止細(xì)胞聚集，確保胰島的更均勻分布，提高它們生存率的同時(shí)保留其功能性。

利用CVD法，不同厚度（上薄、下厚）的模板制備出的三維結(jié)構(gòu)，利用掃描電鏡得出：薄石墨烯生物支架:大孔約 400 nm，小孔約 100 nm;厚的石墨烯生物支架:大孔= 800 nm，小孔約200 nm。Dex微粒子已被固定在石墨烯生物支架(K和O)表面（白箭頭）。

由于其孔徑分布(100 - 400 m)與胰島細(xì)胞大小(通常在100 - 400 m之間)匹配，所以在本研究中選用了薄石墨烯生物支架。此外，通過(guò)優(yōu)化的DEX的濃度為0.5 w/v%。首先，研究者們?cè)隗w外環(huán)境中，把胰島細(xì)胞與石墨烯-DEX生物支架共育，探究胰島細(xì)胞的生存狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，石墨烯-DEX生物支架可以明顯減少胰島細(xì)胞的聚集并提高生存率。

培養(yǎng)7天后，與實(shí)驗(yàn)組（與石墨烯支架共育）相比，單獨(dú)的胰島細(xì)胞已經(jīng)顯示出聚集（B）。

與對(duì)照組相比，石墨烯-DEX生物支架中活細(xì)胞百分比明顯更高,隨著DEX的含量升高，生存率逐漸升高。（綠色：生存，紅色：死亡）

石墨烯-DEX成功制備和表征后，它的效果如何？是否能使高血糖小鼠的血糖含量回歸正常范圍？研究者們就用石墨烯-DEX生物支架和石墨烯支架（沒(méi)有DEX）分別對(duì)高血糖模型小鼠進(jìn)行了移植胰島細(xì)胞的手術(shù)（分別移植單獨(dú)的胰島細(xì)胞或者共移植胰島細(xì)胞和AD-MSCs）。研究者們利用鏈脲佐菌素(STZ)處理后，所有動(dòng)物模型都出現(xiàn)高血糖狀態(tài)。通過(guò)胰島移植后并檢測(cè)30內(nèi)的血糖變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用石墨烯-DEX生物支架共移植胰島細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞(AD-MSCs)的實(shí)驗(yàn)組的血糖是更低的，也就是移植效果較好，利用石墨烯-DEX生物支架只移植胰島細(xì)胞，效果次之；石墨烯生物支架移植胰島細(xì)胞，效果再次之；單獨(dú)胰島細(xì)胞移植是較不理想的。

相比之下，糖尿病小鼠，無(wú)論是單獨(dú)接受胰島或不使用Dex的石墨烯生物支架的胰島，都不能在整個(gè)研究過(guò)程中恢復(fù)血糖控制。石墨烯- Dex生物支架移植單獨(dú)的胰島的糖尿病小鼠一開(kāi)始不能恢復(fù)血糖控制；然而在第14天，血糖得到了有效控制，并維持到研究的第30天結(jié)束。在評(píng)估對(duì)葡萄糖刺激的動(dòng)態(tài)反應(yīng)時(shí)，利用石墨烯-DEX生物支架共移植胰島細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞(AD-MSCs)的實(shí)驗(yàn)組與其他所有組相比，30分鐘空腹血糖值的峰值變化較小。葡萄糖負(fù)荷后120分鐘，血糖值恢復(fù)到與基線(xiàn)(0分鐘)相似的正常范圍，表明糖耐量正常。在小鼠體內(nèi)的生物支架提取出后，發(fā)現(xiàn)在脂肪組織內(nèi)移植良好，沒(méi)有粘連/纖維帶。

葡萄糖刺激動(dòng)態(tài)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，攝入葡萄糖后120 min內(nèi)，不同移植情況的小鼠的血糖變化（E、F）。培養(yǎng)后的小鼠體內(nèi)，石墨烯-DEX生物支架在脂肪組織內(nèi)穩(wěn)定，沒(méi)有粘連/纖維帶。

此外，研究者們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)胰島細(xì)胞被移植到生物支架中時(shí)，胰島與AD-MSCs共移植的數(shù)量顯著高于單獨(dú)移植的胰島細(xì)胞。在單獨(dú)移植胰島細(xì)胞的動(dòng)物模型中，幾乎看不到完整的胰島，胰島素染色細(xì)胞分散在胰島周?chē)皇欠植荚陔x散的胰島結(jié)構(gòu)中。相比之下，石墨烯-DEX生物支架中單獨(dú)移植的胰島，或與AD-MSCs一起移植的胰島細(xì)胞，可以保持其原有大小和球形形態(tài)，并保持其固有結(jié)構(gòu)。在磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)中培養(yǎng)12周后，石墨烯-DEX生物支架的生物降解度為5.4%。植入后3個(gè)月，石墨烯-DEX生物支架與皮下組織融合良好。并且移植后，3個(gè)月的動(dòng)物模型的血液分析顯示：血糖沒(méi)有顯著升高仍在正常范圍內(nèi)。

12周內(nèi)，石墨烯-DEX生物支架的生物降價(jià)率變化（上），與皮下組織融合良好（下）。

綜上，石墨烯-DEX生物支架能大大提高胰島細(xì)胞的存活率，明顯減弱移植手術(shù)后的炎癥反應(yīng)，使手術(shù)成功率更上一個(gè)臺(tái)階。這可能是未來(lái)的發(fā)展方向，不僅僅是胰島細(xì)胞，在其他移植手術(shù)上也可以有更廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了器官移植技術(shù)的進(jìn)步。