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天津大学开发新型水凝胶材料 构建的'人造胰岛'可实现长效控糖

2019-11-17 19:07:02
天津大学开发新型水凝胶材料 构建的'人造胰岛'可实现长效控糖

5月28日,记者了解到,天津大学化工学院生物化工系张雷教授课题组针对这一问题,提出平衡电荷抗污原理,开发了一种具有高效抗生物粘附和“免疫屏蔽”能力的新型水凝胶材料,使用该水凝胶构建的“人造胰岛”能够在糖尿病小鼠体内实现长效控糖。

该研究团队受具有优异抗生物粘附性质的电中性、超亲水两性离子材料启发,同时结合海藻酸钠易于成胶的特性,创造性地提出了一种通过平衡带有相反电荷的聚电解质制备可快速成胶、躲避FBR水凝胶的策略。通过调节聚阴离子电解质海藻酸钠(Alg)和聚阳离子电解质聚乙烯亚胺(PEI)的比例,制备了整体呈电中性,具有优异抗蛋白质、细胞、细菌粘附性质的Alg/PEI水凝胶。该水凝胶不仅能够高效无损包埋胰岛,而且能够长期维持包埋胰岛的活性和正常的胰岛素分泌功能。所构建的“人造胰岛”在复杂的体内环境下,仍能有效抵抗生物粘附及免疫识别,避免FBR及纤维囊的形成,成功实现体内“免疫屏蔽”。

目的随着糖尿病患病率的增加,为有效避免目前临床“外源性”胰岛素治疗频繁注射、必须反复监测血糖以及及时调整剂量等缺点,本文旨在通过合成一种新型可注射性葡萄糖敏感性水凝胶生物材料,包裹胰岛瘤细胞INS-1 832/13构建生物人工胰腺,期望实现响应周围葡萄糖浓度水平刺激胰岛瘤细胞分泌胰岛素,模仿胰岛素生理分泌模式与释放行为,实现平稳控制血糖。

方法以3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)和N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)为原料,马来酰化葡聚糖(Dex-Ma)为交联剂,基于过硫酸铵(APS)和四甲基乙二胺(TMEDA)氧化还原体系,于37℃温和条件下合成乳白色水凝胶。通过调整AAPBA和NIPAM单体投料比,交联剂量以及氧化还原催化体系浓度,合成低温下呈液态,37℃下呈凝胶状的温敏性水凝胶。利用红外光谱(FT-IR)分析材料的分子结构;扫描电镜(SEM)对材料进行形态学检测;并对材料的溶胀性,流变学特性以及体外胰岛素释放行为进行分析;通过四甲基偶氮唑盐(MTT)法评价材料的生物相容性。

基于上述性能指标的评估,选取出生物相容性良好,材料性能较佳的投料体系,包裹一种克隆性分泌胰岛素的β细胞系INS-1 832/13。利用SEM评价材料包裹胰岛瘤细胞的形态学特征;吖啶橙/溴化乙锭(AO/EB)荧光双染色对材料包裹胰岛瘤细胞的形态学和生存状态进行检测;酶联免疫吸附法(ELISA)检测材料包裹胰岛瘤细胞在不同葡萄糖浓度刺激下胰岛素的分泌情况。结果通过固定引发剂浓度为20 mmol/L,调整单体总质量浓度和交联剂占单体总质量的比例,筛选出单体总质量浓度为70 mg/mL,交联剂占单体总质量1.5%这一配比组合。

进一步在单体总质量浓度和交联剂量固定的情况下,调整单体投料比,筛选出AAPBA与NIPAM质量比分别为2:68,4:66,6:64(分别命名为A2N68,A4N66,A6N64)的三个比例水凝胶,具有良好温度敏感性,低温下呈液态而37℃迅速凝固成凝胶状。FT-IR提示材料合成完成,Dex-Ma通过打开双键交联AAPBA和NIPAM;SEM提示三个比例材料均呈现多孔状态,孔洞大小在几微米到几十微米之间,三者孔径有逐渐增大趋势;材料溶胀性在10——30 min内迅速增至最大,溶胀倍数为2——4倍,溶胀性能随AAPBA含量的增加而减弱;流变学检测提示三个比例材料储存模量(G')和损耗模量(G")均随温度的升高而增加并出现交点,交点所对应的温度即相变温度分别为25℃,18℃和14℃,剪切变稀测试提示三者均随切应力的增加而出现粘度先增加后逐渐下降;胰岛素体外释放实验提示三者释放曲线相似,12 h内累积释放量逐渐增加而后趋于平缓,48 h后三者累积释放百分比分别为66.87%,72.1%和80.21%;MTT结果提示除外高浓度A6N64(15 mg/mL)浸出液的细胞生存率为70%80%外,其余比例以及不同浓度下细胞生存率均大于等于80%,说明材料具有良好生物相容性;选取三者生物相容性良好的浓度包裹INS-1 832/13细胞,共培养一段时间后SEM提示细胞与材料融合良好;AO/EB双荧光染色提示细胞在凝胶中被染成绿色,随时间逐渐聚集成细胞球,表明细胞生长状态良好;ELISA法检测材料包裹细胞后不同糖浓度下胰岛素的分泌功能,结果提示水凝胶材料对胰岛瘤细胞的包裹并未影响细胞本身的葡萄糖刺激胰岛素分泌功能,但水凝胶糖敏感材料AAPBA含量的多少可能影响被包裹胰岛瘤细胞对周围葡萄糖浓度的响应。

结论本文合成兼有温度敏感性和葡萄糖敏感性的水凝胶材料,具备低温与37℃之间可逆性相转变的特性,具有一定可注射性;材料具备三维多孔样结构,溶胀性以及生物相容性良好,包裹胰岛瘤细胞INS-1 832/13后,细胞成簇生长,并具备糖浓度调控胰岛素分泌模式,实现细胞生存环境的高度仿真,为可注射性水凝胶应用于胰岛细胞移植提供理论依据。

1型糖尿病是一种由自身免疫缺陷导致体内胰岛素绝对缺乏的全球性慢性代谢疾病,全世界有超过3000万病患者。目前1型糖尿病尚无根治手段,常规的治疗方法是每天定时注射外源性胰岛素。然而,这种方法不但会给病人带来痛苦和经济负担,更会因剂量难以精确控制,导致病人出现低血糖等不良反应,长期注射甚至会导致威胁生命的并发症。近年来,将胰岛包埋在生物材料中构建“人造胰岛”并移植到患者体内是一种从根本上治疗1型糖尿病的有效方法。

“人造胰岛”可替代患者体内已失去功能的胰岛,动态响应血糖变化分泌胰岛素,从而使病人彻底摆脱对外源性胰岛素注射的依赖。然而,人体的天然免疫防御机制对外来移植物产生的排异反应(Foreign Body Reaction,FBR),是限制该技术成功应用的瓶颈问题。但是,当前能躲避免疫系统识别、实现“免疫屏蔽”的材料极为稀少。因此,开发能够同时躲避免疫识别并能长效包埋维持胰岛活性的新材料,实现快速稳定血糖调控是目前该领域面临的巨大挑战。

更重要的是,将新型“人造胰岛”移植到糖尿病小鼠腹腔后,糖尿病小鼠的血糖可以在2天内快速降低到正常水平,并且在实验期间稳定维持至少150天。与传统的海藻酸钠水凝胶及其衍生物相比,在降糖速度、控糖时间和稳定性方面具有显著的优势。

该新型水凝胶不但具有优异的生物相容性和突出的“免疫屏蔽”效果,且成本低、易制备,有利于扩大生产,为细胞治疗、组织工程等医药健康领域提供了新的有力手段。

该工作最近发表在Advanced Functional Materials 上,并于当期Inside Back Cover做简要介绍。论文的第一作者为张嘉敏博士,共同第一作者为博士生朱迎男。相关研究已申请中国发明专利(CN2017110866841)。此研究获得国家自然科学基金委优秀青年科学基金的资助。

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