可植入生物材料和装置将被宿主免疫系统识别为异物，在植入物-宿主界面启动一系列相互作用，导致异物反应（FBR），包括强烈的炎症反应、异物巨细胞形成和纤维化，并最终在植入物周围形成胶原包裹并将植入物与宿主组织隔离。与临床实践中对抗FBR要求不同，报道的抗FBR材料数量非常有限，开发低FBR材料仍然是一项艰巨的挑战。此外，临床对可植入生物材料和医疗器械日益增长的需求迫切需要高效的抗FBR材料。虽然聚（乙二醇）（PEG）已被广泛用作生物惰性材料，但是最近的研究已经揭示PEG和PEG修饰对象的两个免疫原性和抗原性。PEG的另一个缺点是它在生理条件下会在有氧的情况下分解。PEG的这些缺点限制了其在生物材料和生物医学设备中的长期体内应用。因此，当务之急是制定反FBR材料，因为材料已经极大地阻碍了在这一领域的进展和植入生物材料的发展和医疗器械的瓶颈。
鉴于此，华东理工大学刘润辉教授课题组合成了高度水溶性、生物相容性和易于获取的聚DL-丝氨酸二丙烯酰胺（PSerDA），它能够通过光交联轻松制备PSer水凝胶。在皮下植入小鼠1周和2周后，其引起的炎症反应可忽略不计。植入后4周、3个月和7个月后，在PSer水凝胶周围没有发现明显的胶原包膜。炎性细胞因子的组织学分析和RNA-seq测定均表明PSer水凝胶显示低异物反应。相关工作以“Bio-inspired poly-DL-serine materials resist the foreign-body response”为题发表在国际顶级期刊《Nature commuincations》上。
PSer水凝胶的设计与制备
作者通过三个步骤从O-叔丁基-DL-丝氨酸合成了两种聚DL-丝氨酸二丙烯酰胺（PSerDA），作为具有窄分散性的水凝胶前体制备两种不同的PSer水凝胶，PSer3300和PSer8600，并将它们植入小鼠体内（图1）。两种聚（乙二醇）二丙烯酸酯(PEGDA)用于制备PEG水凝胶PEG2000和PEG5000，以进行比较。水凝胶及其前体的傅里叶变换红外光谱表明，水凝胶及其前体完全凝胶化（图2）。X射线光电子能谱光谱表明PSer3300水凝胶具有更高的交联度。所有PEG和PSer水凝胶都具有多孔结构。
图1低FBR的PSer水凝胶的设计
图2 PSer水凝胶的制备和表征
PSer水凝胶减轻炎症反应和FBR
作者在植入1周和2周后评估了PEG和PSer水凝胶周围的组织，发现PEG水凝胶周围的组织肿胀和发炎，1周后比2周后更严重（图3）。免疫荧光染色还显示在1周和2周时，PEG2000和PEG5000水凝胶周围的组织中存在大量巨噬细胞。植入后1周和2周，PSer3300水凝胶和PSer8600水凝胶的周围组织均表现出比PEG水凝胶显着更低的炎症反应和更低的巨噬细胞密度，这表明PSer水凝胶在相容性方面优于PEG水凝胶。在植入4周后继续评估这些水凝胶植入物。Masson三色(M&T)染色显示两种PEG水凝胶都被致密的炎症细胞层包围，两种PSer水凝胶都被组织包围，在水凝胶-宿主组织界面处只有一层薄薄的炎症细胞（<5 μm厚度）（图4）。两种PSer水凝胶和组织界面处的胶原密度（62-76%）显着低于两种PEG水凝胶。两个M＆T和α平滑肌肌动蛋白（αSMA）染色表明血管的组织中的PSer的水凝胶具有更高的密度比在组织周围PEG水凝胶。PSer水凝胶周围的血管密度高于PEG水凝胶周围的血管密度，表明物质交换非常有利。
图3 PEG和PSer水凝胶周围组织的炎症反应
图4皮下植入PEG和PSer水凝胶周围组织中的胶原蛋白和血管密度
炎症因子和基因表达分析
为了找出与PSer水凝胶植入物相关的低炎症反应和FBR的原因，作者分析了水凝胶植入后2周时炎症因子的表达（图5）。结果表明，PSer水凝胶周围的组织中促炎标志物（CCR7、TNF-α和IL-12）的表达较低，仅是PEG水凝胶周围组织中这些标志物的1/4至1/6倍。PSer水凝胶的抗FBR特性与促炎因子的低表达有很强的相关性，促炎因子在FBR过程中起重要作用，并触发胶原蛋白封装到植入物。此外，作者在植入后2周通过RNA-seq分析水凝胶周围组织中的基因表达，使用未植入的Mock组作为对照（图6）。PEG水凝胶样品与Mock组的差异基因数为2637；而PSer水凝胶样品和Mock组样品之间的差异基因数为1603。PSer水凝胶在植入后的前2周内表现出低炎症反应和相关炎性细胞因子和基因的低表达，显示出优于PEG水凝胶的抗FBR特性，并且植入后无明显的胶原包裹至少7个月。
图5植入后2周的炎症标志物染色和细胞因子谱分析
图6植入后2周的RNA-seq
小结：作者设计了聚DL-丝氨酸（PSer）作为一类由L-丝氨酸和D-丝氨酸组成的抗FBR材料，其灵感来自蚕丝丝胶中的高L-丝氨酸含量和高水平D-丝氨酸在人体内作为一种重要的神经递质。从PSer制备了抗FBR水凝胶，该水凝胶通过简单的合成获得并且高度溶于水。PSer水凝胶植入小鼠在1周和2周后表现出低炎症反应，并抵抗胶原胶囊至少7个月。PSer水凝胶周围组织的炎症因子和基因表达与未植入的Mock组相当，而PEG水凝胶周围组织中细胞因子的高表达和促炎基因的上调明显，这表明PSer水凝胶具有低FBR特性。
全文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25581-9
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