基礎科研 | 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，提高移植細胞的生存率

來源：生物探索作者：人氣：-發表時間：2021-11-24 10:00:00【大中小】

糖尿病是一種常見的代謝類疾病，主要由于胰腺不能分泌足量的胰島素造成血液循環中血糖含量紊亂。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。然而在胰島細胞移植中，高達60%的胰島細胞在移植后會立即失去生理活性，主要原因是來自即時血液介導的炎癥反應(IBMIR)。現階段防止IBMIR的一種常用策略是：不通過門靜脈將胰島細胞運送到肝臟，而在大網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胞，即使如此，也會有不同程度的炎癥反應。如果生物支架本身具有消炎的作用，那問題就會迎刃而解了。

2021年11月，來自斯坦福的研究者們在Science 子刊上發表題為：《Localized drug delivery graphene bioscaffolds forcotransplantation of islets and mesenchymal stem cells》的文章，報道了關于三維支架用于胰島細胞移植的近期工作進展。研究者們開發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，避免常規靜脈注射地塞米松的全身性的副作用，同時能夠精確地調節移植微環境中的炎癥反應。

另一方面，這種生物支架含有可以容納細胞的孔隙，可以用來移植胰島細胞，也可以容納其他細胞。在此研究中，研究者們就通過共移植胰島和間充質干細胞(AD-MSCs)來提高胰島細胞的存活率。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圍的微環境中，促進血管生成，減少炎癥，并調節固有和適應性免疫系統，從而幫助胰島移植、存活以及恢復移植后的功能，使胰島具有更好的結構組織、血管重建和減少炎癥。

在本研究中，研究者們使用化學氣相沉積(CVD)方法合成了三維石墨烯生物支架，然后通過聚多巴胺(PDA)納米層用Dex涂層對其功能化，優化Dex的濃度，使其具有抗炎作用而不影響細胞功能。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，這也能防止細胞聚集，確保胰島的更均勻分布，提高它們生存率的同時保留其功能性。

利用CVD法，不同厚度（上薄、下厚）的模板制備出的三維結構，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，通過優化的DEX的濃度為0.5 w/v%。首先，研究者們在體外環境中，把胰島細胞與石墨烯-DEX生物支架共育，探究胰島細胞的生存狀態。實驗表明，石墨烯-DEX生物支架可以明顯減少胰島細胞的聚集并提高生存率。

培養7天后，與實驗組（與石墨烯支架共育）相比，單獨的胰島細胞已經顯示出聚集（B）。

與對照組相比，石墨烯-DEX生物支架中活細胞百分比明顯更高,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（沒有DEX）分別對高血糖模型小鼠進行了移植胰島細胞的手術（分別移植單獨的胰島細胞或者共移植胰島細胞和AD-MSCs）。研究者們利用鏈脲佐菌素(STZ)處理后，所有動物模型都出現高血糖狀態。通過胰島移植后并檢測30內的血糖變化，實驗結果表明，利用石墨烯-DEX生物支架共移植胰島細胞和間充質干細胞(AD-MSCs)的實驗組的血糖是更低的，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胞，效果次之；石墨烯生物支架移植胰島細胞，效果再次之；單獨胰島細胞移植是較不理想的。

相比之下，糖尿病小鼠，無論是單獨接受胰島或不使用Dex的石墨烯生物支架的胰島，都不能在整個研究過程中恢復血糖控制。石墨烯- Dex生物支架移植單獨的胰島的糖尿病小鼠一開始不能恢復血糖控制；然而在第14天，血糖得到了有效控制，并維持到研究的第30天結束。在評估對葡萄糖刺激的動態反應時，利用石墨烯-DEX生物支架共移植胰島細胞和間充質干細胞(AD-MSCs)的實驗組與其他所有組相比，30分鐘空腹血糖值的峰值變化較小。葡萄糖負荷后120分鐘，血糖值恢復到與基線(0分鐘)相似的正常范圍，表明糖耐量正常。在小鼠體內的生物支架提取出后，發現在脂肪組織內移植良好，沒有粘連/纖維帶。

葡萄糖刺激動態反應實驗，攝入葡萄糖后120 min內，不同移植情況的小鼠的血糖變化（E、F）。培養后的小鼠體內，石墨烯-DEX生物支架在脂肪組織內穩定，沒有粘連/纖維帶。

此外，研究者們還發現，當胰島細胞被移植到生物支架中時，胰島與AD-MSCs共移植的數量顯著高于單獨移植的胰島細胞。在單獨移植胰島細胞的動物模型中，幾乎看不到完整的胰島，胰島素染色細胞分散在胰島周圍，而不是分布在離散的胰島結構中。相比之下，石墨烯-DEX生物支架中單獨移植的胰島，或與AD-MSCs一起移植的胰島細胞，可以保持其原有大小和球形形態，并保持其固有結構。在磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)中培養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個月的動物模型的血液分析顯示：血糖沒有顯著升高仍在正常范圍內。