探究植入微环境,PLA材料最新《Nat. Biomed. Eng.》

学术   2024-10-20 00:01   江苏  

控制对植入生物材料的免疫反应是医疗器械在治疗、诊断、组织工程和再生应用中有效发挥作用的必要条件。然而,生物材料微环境中的局部免疫代谢线索如何调节免疫细胞的运输并组织促炎、短暂和抗炎或促再生表型的相对组成尚未阐明。尽管人们对表达CCR2和C-X3-C基序趋化因子受体1(CX3CR1)的募集免疫细胞在无菌损伤和多种疾病模型中的表型变化有了越来越多的了解,但这些细胞在生物材料微环境中的免疫表型组成尚未得到研究。

近日,来自美国密歇根州立大学的Christopher H. Contag团队研究了生物材料植入后,如何通过免疫代谢线索重组和重编程植入区域的微环境。研究发现,免疫代谢线索通过调控免疫细胞,包括中性粒细胞和单核细胞的迁移,影响宏观和树突细胞群体的组成和活化状态。文中还探讨了通过对植入材料加入代谢调节剂来操纵局部免疫细胞的代谢状态,进而调节免疫细胞的功能和植入材料周围的免疫反应。研究结果为生物材料进行组织工程和再生医学应用提供了新的策略和理论基础。

相关研究成果以“Immunometabolic cues recompose and reprogram the microenvironment around implanted biomaterials”为题于2024年10月4日发表在《Nature Biomedical Engineering》上。
         

 

1.aPLA生物材料微环境中的代谢可控制CCR2和CX3CR1依赖性运输
作者首先探讨了通过改变代谢环境来控制免疫细胞在无定形聚乳酸(aPLA)生物材料微环境中的迁移(图1)。通过使用代谢抑制剂如2DG和氨基烷氧乙酸(a.a.),研究显示这些代谢调节可以显著影响CCR2和CX3CR1两种趋化因子受体的表达,这两种受体对于单核细胞和其他免疫细胞至关重要。作者使用了流式细胞术和活体显微成像技术来监测免疫细胞的动态。在实验中,通过改变生物材料内的代谢途径,可以观察到免疫细胞如何响应这些变化,并据此调整它们在植入材料周围的分布和活性。特别是,通过代谢途径的调节,研究表明可以减少炎症反应并促进更多具有再生潜力的免疫细胞环境的形成    

具体来说,当CCR2和CX3CR1表达被上调时,可以观察到一系列免疫细胞包括单核细胞、中性粒细胞和树突状细胞在植入材料周围的聚集。这种通过代谢重编程引起的免疫细胞迁移和功能改变,为植入材料设计提供了新的视角,特别是在调节免疫反应和促进组织修复方面显示出潜在的应用价值。   
 
图1 在aPLA生物材料环境中局部重新连接免疫细胞代谢会影响CCR2和CX3CR1依赖的运输

2.通过aPLA微环境中的免疫代谢线索,髓系细胞的组成向促再生状态重组
随后,作者阐述了在无定形聚乳酸(aPLA)微环境中,通过免疫代谢线索对髓系细胞的组成进行重新组织,以促进其向再生状态的转变。通过添加代谢抑制剂(如2DG和氨基烷氧乙酸a.a.),观察到免疫细胞特别是髓系细胞在植入材料周围如何响应这些代谢变化,从而推动细胞表型向促再生方向的演变。研究结果显示,通过调控aPLA微环境中的代谢途径,可以显著改变髓系细胞的组成和激活状态。具体来说,实验发现通过代谢途径的调节,可以增加具有抗炎或促再生特性的宏观和树突细胞的比例,同时减少促炎症细胞的活性。这些细胞表型的改变为植入材料提供了一种减少慢性炎症和促进组织修复的潜在策略(图1c-f)。  
 
此外,流式细胞术的定量分析揭示了在不同处理条件下,促炎和抗炎髓系细胞的动态变化。通过2DG和氨基烷氧乙酸a.a.处理的样本中,观察到抗炎型宏观和树突细胞(CD206+)的增加,而促炎型细胞(CD86+CD206-)的比例有所下降,说明了免疫代谢调控在维持植入材料周围微环境稳定中的重要作用(图1g-i)。通过细胞标记和实时成像技术进一步分析了这些代谢调节剂如何具体影响髓系细胞在aPLA微环境中的分布和功能。结果表明,通过免疫代谢线索的调控,不仅改变了髓系细胞的活性状态,还优化了它们的空间分布,为利用生物材料设计新型再生医学治疗策略提供了实验依据(图1j-l)。
接着,通过免疫代谢线索调整的不仅是髓系细胞的比例和类型,还包括它们在细胞功能和免疫响应中的角色。研究中显示,通过调控生物材料微环境中的代谢过程,可以有效地诱导髓系细胞向表达抗炎或促再生标记物的方向分化,如CD206+的宏观和树突细胞表现出较高的再生潜力,而减少了CD86+CD206-表型细胞的比例,这对于抑制慢性炎症和促进受损组织的修复至关重要(图1m-o)。    

图2 髓系细胞的极化状态通过靶向aPLA生物材料微环境中的免疫代谢进行调节

3.利用aPLA进行免疫代谢与目前使用的技术相比具有优势
作者通过调节无定形聚乳酸(aPLA)生物材料微环境中的免疫代谢来优化免疫细胞功能的新方法,并与当前常用的生物材料处理技术进行了比较。通过使用代谢调节剂,如2DG和氨基烷氧乙酸(a.a.),研究表明这种方法在控制局部免疫环境和促进再生性反应方面具有显著优势。实验结果显示,与传统的中和策略(如使用羟基磷灰石HA)相比,通过aPLA植入物调节代谢可以更有效地调控免疫细胞的反应。特别是,aPLA通过调节代谢途径改变了免疫细胞的表型,如增加抗炎性和促再生性细胞比例,减少促炎性细胞的激活。这表明利用免疫代谢调控提供了一种更为精细和有针对性的方法来优化植入材料的生物相容性和功能性(图3)。在这部分研究中,作者通过流式细胞术分析,对比了不同处理条件下免疫细胞的表型变化,包括2DG和a.a.处理的aPLA与含HA的aPLA。结果表明,2DG和a.a.在降低促炎型细胞(如CD86+CD206-的宏观和树突细胞)和增加抗炎型或促再生型细胞(如CD206+的宏观和树突细胞)方面表现更为显著,这对于改善慢性炎症条件和促进组织修复具有重要意义。    

总之,通过对aPLA生物材料微环境中的免疫代谢进行精确调控,不仅能够优化免疫细胞的功能,还可以通过调节它们的活性和分布来改善生物材料的整体性能。这种方法与现有技术相比,在促进慢性炎症条件下的组织修复和再生方面展现了较大的潜力和优势。    

图3 与传统中和技术相比,使用酸可以更有利地调节aPLA生物材料周围免疫细胞的活化状态

4.cPLA的免疫代谢线索在T细胞的帮助下创造了促再生的微环境
接着,作者结合实验描述了结晶聚乳酸(cPLA)如何通过调控免疫代谢线索和T细胞的协同作用,促进再生性微环境的形成。这部分研究展示了cPLA通过影响T细胞特别是T辅助细胞和γδT细胞的活性,进而调控植入区域的免疫环境,以支持组织修复和再生。cPLA植入物通过影响局部的免疫代谢,激活了T辅助2细胞和γδT细胞的生产,这些细胞能够产生大量的白细胞介素-4(IL-4),从而推动抗炎和促再生环境的形成。此外,这种植入物还能增加Arginase-1表达的髓系细胞的数量,这是促进细胞再生特别重要的一个标记。这种通过结晶聚乳酸调节免疫代谢的方式,为植入材料周围微环境提供了有益于组织修复和再生的免疫细胞配置(图4)。  
 
实验进一步使用流式细胞术来分析T细胞和它们在免疫调节中的作用,特别是在cPLA植入后的变化。通过详细的细胞表型分析,研究揭示了T细胞在cPLA引起的免疫代谢重编程中的关键作用,包括它们在促炎和抗炎反应中的调节功能。这种对T细胞功能的深入了解为设计新一代具有免疫调节功能的生物材料提供了重要的生物学依据。最后,这部分研究强调了通过免疫代谢线索和T细胞相结合的方式,可以显著优化植入材料的生物性能,尤其是在促进慢性炎症环境下的组织再生方面(图4)。

图4 cPLA环境中局部靶向免疫代谢可提高IL-4表达的T细胞亚群,对髓系细胞群产生不同的影响

5.与cPLA配方相比,加入的代谢抑制剂从aPLA中释放得更快    
作者继续探讨了无定形聚乳酸(aPLA)和结晶聚乳酸(cPLA)中代谢抑制剂释放速率的差异,研究揭示了不同聚乳酸结构对药物释放动态的影响,指出aPLA相较于cPLA具有更快的代谢抑制剂释放能力。研究结果表明,由于aPLA的非晶形结构,其中的代谢抑制剂如氨基烷氧乙酸(a.a.)、2-脱氧葡萄糖(2DG)和3-(3-吡啶基)-1-(4-吡啶基)-2-丙烯-1-酮(3PO)能够更快地从材料中释放出来。这种快速释放特性使得aPLA成为一种更有效的载体,用于在需要迅速调节微环境的医学应用中,如促进慢性炎症区域的修复和再生。

相比之下,cPLA由于其结晶性和更紧密的分子排列,显示出更慢的药物释放速率。这种特性虽然有助于长期稳定释放,但在需要快速介入和调节局部微环境的情况下,可能不如aPLA效果显著。因此,选择合适的聚乳酸材料类型对于优化生物材料的临床应用至关重要。

此外,文献中通过量化分析比较了不同材料中代谢抑制剂的实际释放比例,显示了aPLA和cPLA中氨基烷氧乙酸(a.a.)、2-脱氧葡萄糖(2DG)以及3-(3-吡啶基)-1-(4-吡啶基)-2-丙烯-1-酮(3PO)的释放效率。aPLA在释放这些抑制剂方面表现出更快的速率,提供了对免疫代谢环境即时调控的可能性,这对于需要迅速抑制炎症反应和促进受损组织恢复的医疗应用尤为重要。在药物释放的研究中,aPLA能够在12周内释放约25.96%的氨基烷氧乙酸,而cPLA在相同时间内几乎没有释放,这一差异凸显了材料物理结构对于药物释放动态的直接影响。这种快速释放特性使得aPLA更适合于急性炎症管理和其他需要快速药物介入的临床情况。

6.结论与展望
该研究结果为免疫代谢线索在免疫细胞运输到生物材料微环境中的作用以及这如何影响免疫细胞群的组成和活化状态提供了新的见解。a.a.和3PO及其衍生物在癌症和亨廷顿氏病的临床试验中均具有良好的耐受性,使它们成为可转化的候选药物。由于对聚乳酸植入物的不良免疫反应通常局限于植入或注射后包埋的解剖部位(如纳米医学),因此预计干预将是局部的。可生物降解材料在释放免疫原性副产物的同时释放代谢抑制剂,是一种有前途的基于生物材料的免疫调节策略。   
 
为了在人类和兽医患者中进行临床转化,需要进一步研究以(a)阐明代谢发生改变的植入物微环境中的空间转录组学谱;(b)评估免疫代谢在大型动物模型中创造促再生微环境中的作用,尽管聚乳酸诱导的不良反应和相关干预措施在小鼠、大鼠、兔、犬类患者、绵羊和人类中得到了可重复的记录;(c)更有力地评估本研究中皮下观察结果如何受到不同临床应用解剖位置变化的影响。最终,这些代谢调节剂从植入物中受时间调控的局部释放,以编程生物材料微环境中免疫细胞的运输和极化,可以提供一个高度可转化的机会,推动再生工程向改善人类和动物健康的方向发展。
         

 

文章来源:
https://doi.org/10.1038/s41551-024-01260-0    

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