Adv. Mater.北京大学-从微观到宏观：微图案支架的层次设计用于细胞组装和移植

【引言】

组织支架利用多方面的材料特性来促进功能结构的创建以达到组织修复和替换的目的。在细胞/亚细胞水平上，支架可以调节局部生物化学，生物力学和质量输运微环境以促进细胞活力和功能。在更大的尺度上，例如几百微米到几毫米，支架的空间特性使得细胞的几何装配不仅能够效仿天然组织结构，而且允许细胞以最优的组织形式进行大量的移植。特别是随着干细胞技术的快速发展，不同微尺度的组织或类器官可以大规模生产。尽管从这些微组织中重新产生组织仍然是一个艰巨的任务，但是在可预见的未来，利用能够有效植入细胞的具有人工图案/结构的结构体来进行组织修复/替换代表着一种实用的方法。因此，支架的拓扑和空间特征的层次设计是促进组织工程和细胞疗法的关键步骤。

【成果简介】

近日，来自北京大学的罗莹（通讯作者）课题组报导了一种微孔图案化膜支架，这种支架可以将同基因胰岛移植到患有糖尿病的啮齿动物体内来改善高血糖的状况，此外还能作为免疫隔离材料（防止植入的细胞与免疫细胞接触），利用这一点，作者还将间充质干细胞植入体内来治疗糖尿病。这种支架是以聚氨酯为基底，整合了纳米和微米形貌特征（纳米特征是指基底的固有特征，微米指的是基底上的图案，分别可以促进细胞功能和组织反应和允许胰岛和间充质干细胞高密度聚集）。研究表明，这种支架允许单个细胞/微组织有效地的组装，使得能够在空间上控制移植细胞，并且改善移植物在体内的移植疗效，达到更好的糖尿病治疗效果。

【图文导读】

图1 微图案支架的层次设计概念示意图解

a）微孔图形化支架的设计具有微尺度和局部特征，用于控制细胞组装和细胞微环境

b）支架可以用于将胰岛和间充质干细胞（MSCs）组装成阵列，以改善它们在治疗糖尿病小鼠中的移植效果。

图2 PU-mw支架的制造和表征

a）静电纺丝法制备PU-mw支架工艺示意图;

b）图案化电纺膜SEM图（图中的红色和黑色框区域分别在（c）和（d）中放大）

c）良好定义的微孔结构

d）纳米纤维基材料

e）由镊子夹持的高机械强度PU-mw支架。

图3 PU-mw的功能和可植入性研究

a）PU-mw的微孔图案上生成的胰岛阵列显示出良好的活力

b）通过荧光染色显现，自由悬浮的胰岛融合在一起，并形成坏死区域（分别以绿色和红色显示活细胞和死细胞）

c）沉降在微孔底部的胰岛的SEM图像

d）高倍放大图像（（c）中的红框区域），显示贴附在纤维微孔内壁上的多细胞胰岛的光滑的边缘

e）PU-mw上的胰岛显示出更高的代谢活性以及f）葡萄糖反应

图4 PU-mw 上的胰岛可促进链尿佐菌素（STZ）诱导的小鼠的糖尿病状况的逆转

a）含有临界治疗量胰岛的PU-mw构建体的同基因移植后的非空腹血糖测量：80％的受者（8/10，黑线）血糖降低，直到取回移植物，此时小鼠回复到其移植前高血糖状态

b）在三个月内没有在游离胰岛接受者（0/6）中观察到血糖恢复正常

c）IPGTTs分别显示具有PU-mw-胰岛构建体和游离胰岛的小鼠受体中正常和非反应性葡萄糖调节

d）嵌入在薄的血管化附睾脂肪组织中的PU-mw-胰岛的照片（分别为移植后（顶部）以及移植90天后增厚的EFP胶囊（底部））

e）胰岛移植维持图案化组织

f）在体内的第100天PU-mw顶部的EFP位点处的阳性胰岛素分泌

g）和h）分别是e）和f）中的方框区域的放大图像（星号，箭头和箭头分别表示PU-mw支架，胰岛和血管）
比例尺：e）200 μm 和 f）50μm

图5 PU-mw提供MSC移植物免疫缓和的环境以减轻大鼠模型中的T1D

a）MSCs自发形成的球体

b）微孔中的延伸粘性假足

c）PU-mw中培养的MSC球体相比较微孔板上的细胞，抗炎（TSG-6，iNOS和COX-2）和促血管生成基因（IGF-1，VEGF和FGF-2）的表达升高

d）含MSC阵列的PU-mw膜制造的宏型胶囊装置

e）非空腹血糖测量显示，移植有免疫隔离MSC的77.8％的受体恢复了（甚至在移植物移植后仍维持）正常血糖

f）在三个月内没有在游离MSCs接受者（0/5）中观察到糖尿病的逆转

g）IPGTTs显示分别在含有PU-mw-MSCs构建体和游离MSCs的大鼠接受者中正常和非反应性葡萄糖调节

h）4天和i）28天体内培养的MSC满载装置的H＆E染色（星号和箭头分别表示PU-mw和MSC球状体的）

j）植入四周后由血管化脂肪组织包围的取回的MSC负载装置的照片

k）接受免疫分离的MSC阵列的大鼠的胰腺（H＆E染色）显示良好血管化以及移植2个月后的呈颗粒化的胰岛结构；

l）相比之下，在移植有游离MSCs的大鼠中观察到含有受损细胞的相对较小的胰岛
比例尺：a，h）100Ám，i）200Ám和b，k，l）50Ám

文献链接：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组陈鑫供稿，材料牛编辑整理。

参与生物材料话题讨论或了解生物材料小组招募详情，请加入材料人生物材料交流群（124806506）。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

材料测试，数据分析，上测试谷！