陳 亮 奚廷斐 王春仁
組織工程醫(yī)療產(chǎn)品免疫學(xué)評(píng)價(jià)研究
陳 亮 奚廷斐 王春仁
組織工程是一門將生命科學(xué)和工程學(xué)的原理與技術(shù)相結(jié)合,發(fā)展具有生物活性功能的替代物或移植物,用于修復(fù)、改善、再生組織和器官的結(jié)構(gòu)和功能的交叉學(xué)科。組織工程醫(yī)療產(chǎn)品(Tissue Engineered Medical Products,TEMPs)是用組織工程技術(shù)和工藝制備的,含有經(jīng)生產(chǎn)工藝處理的人體細(xì)胞和組織,用于再生、修復(fù)或替代人體組織的醫(yī)用產(chǎn)品。
組織工程醫(yī)療產(chǎn)品可包括細(xì)胞、生物材料(基質(zhì)或支架)、生物分子等,是復(fù)雜的聯(lián)合產(chǎn)品,其產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)分析和安全性評(píng)價(jià)也具有復(fù)雜性。在組織工程中得到廣泛應(yīng)用的生物材料,包括聚乳酸、聚羥基烷基酸酯等聚酯類可降解高分子材料,還有膠原及細(xì)胞外基質(zhì)等生物組織衍生材料,以及殼聚糖、海藻酸鈉等天然生物材料。這幾類生物材料單獨(dú)植入后的異物炎癥反應(yīng)是目前局部反應(yīng)評(píng)價(jià)試驗(yàn)的主要內(nèi)容,但近來已有研究表明這幾類植入生物材料可影響免疫系統(tǒng)。另外,TEMPs除含有生物材料外,不同來源的細(xì)胞也是重要的組成成分。為達(dá)成商品化,同種異體來源的細(xì)胞(體細(xì)胞或干細(xì)胞)是現(xiàn)實(shí)的選擇。因此,從理論上分析,組織細(xì)胞中含有的過客抗原呈遞細(xì)胞、異體細(xì)胞分泌物、死細(xì)胞或碎片都將引起免疫應(yīng)答反應(yīng),從而影響TEMPs的活性和功能。由于TEMPs中生物材料和同種異體細(xì)胞的同時(shí)存在,也將植入后宿主反應(yīng)演化為異物炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng),而兩者間還存在相互作用。因此,對(duì)植入后宿主反應(yīng)的評(píng)價(jià),特別是免疫學(xué)評(píng)價(jià)就成了組織工程醫(yī)療產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)分析和安全性評(píng)價(jià)新的課題。
免疫學(xué)評(píng)價(jià)是檢測(cè)對(duì)免疫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的不良影響,或由對(duì)其他系統(tǒng)的影響而導(dǎo)致的免疫功能障礙。當(dāng)?shù)挚垢腥净蚰[瘤等疾病的體液免疫或細(xì)胞免疫受到損害(即免疫抑制),或出現(xiàn)不必要的組織損傷(如自身免疫、超敏反應(yīng)或慢性炎癥)時(shí),即認(rèn)為發(fā)生了免疫毒性作用。對(duì)免疫功能的影響還表現(xiàn)為免疫刺激,即非目的性的或不恰當(dāng)?shù)拿庖呦到y(tǒng)的激活(抗原特異性或非特異性),包括生物材料非目的性的免疫原性(如異體蛋白的抗原或細(xì)胞免疫反應(yīng))和佐劑效應(yīng)(即材料加強(qiáng)了與其共同存在的抗原的免疫反應(yīng))。目前對(duì)TEMPs中的生物材料(膠原、細(xì)胞外基質(zhì)、聚合物、海藻酸鈉)成分和間充質(zhì)干細(xì)胞成分的免疫學(xué)評(píng)價(jià)方面的研究結(jié)果如下文所述。
膠原(主要是Ⅰ型膠原)是大量存在于多種生物體組織的結(jié)構(gòu)和功能蛋白,雖然已被廣泛認(rèn)為是一種安全有效的生物材料,但動(dòng)物來源的膠原總是會(huì)引起對(duì)其可能會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)的關(guān)注[1]。膠原的抗原決定簇可分為三類:膠原分子三螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)象本身、膠原螺旋結(jié)構(gòu)中的氨基酸序列和膠原非螺旋末端肽段。雖然膠原非螺旋末端的氨基酸在種間的變異可達(dá)到50%以上,在一些供者/受者組合的動(dòng)物試驗(yàn)(牛/兔、大鼠/兔)中發(fā)現(xiàn)主要的抗原決定簇位于這些區(qū)域,但是在其他不同的供者/受者組合的動(dòng)物試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)主要抗原決定簇在于三螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)象本身(牛/大鼠、牛/小鼠)或是螺旋結(jié)構(gòu)中的氨基酸序列(大鼠/雞),由此說明膠原分子主要抗原決定簇的定位取決于供者和受者的種間組合[1]。研究表明,膠原在人體使用后,牛膠原(ZyDerm,酶解制備)的抗原決定簇位于三螺旋結(jié)構(gòu)和氨基酸序列[2]。因此,動(dòng)物來源的膠原,即使是通過酶解去除了高度變化的末端肽段的膠原,也應(yīng)詳細(xì)研究在人體引起的免疫反應(yīng)。
膠原引起的免疫反應(yīng)包括體液免疫和細(xì)胞免疫,但兩者相對(duì)作用還未闡明。研究發(fā)現(xiàn),膠原引起免疫反應(yīng)同樣取決于供者和受者的種間組合。臨床通過檢測(cè)循環(huán)抗體的水平來評(píng)估膠原免疫反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)[3]。目前研究最充分的膠原產(chǎn)品可能是注射型膠原充填劑,相關(guān)資料表明人群中對(duì)牛膠原的超敏反應(yīng)發(fā)生率為2%~4%,使用膠原產(chǎn)品后會(huì)增加1%左右,不良反應(yīng)發(fā)生率較低[4-5]。但是,新的膠原材料,以及新的應(yīng)用方式不斷增加,例如作為皮膚替代物、骨填充物、心血管支架材料、止血材料等。已有報(bào)道在這些應(yīng)用中出現(xiàn)了稍微增高的變態(tài)反應(yīng)發(fā)生率[6]和肉芽腫異物反應(yīng)[7]。用牛Ⅰ型膠原密封的多孔聚酯血管在豬體內(nèi)植入后,觀察期內(nèi)膠原抗體陽性率為41%~68%,引起了對(duì)膠原引發(fā)體液免疫反應(yīng)和植入局部炎癥反應(yīng)間關(guān)聯(lián)性的關(guān)注[8]。因此,以膠原為支架材料與同種異體細(xì)胞復(fù)合,對(duì)此應(yīng)用中的膠原進(jìn)行免疫學(xué)及其引發(fā)免疫反應(yīng)在整個(gè)膠原-細(xì)胞復(fù)合物引起宿主反應(yīng)中的作用的評(píng)價(jià)是亟待解決的問題。
細(xì)胞外基質(zhì)(Extracellular Matrix,ECM)也是在組織工程中廣泛應(yīng)用的生物支架材料,如經(jīng)處理的豬小腸粘膜下層(Small Intestinal Submucosa,SIS)、膀胱粘膜下層、人羊膜等。ECM除主要由膠原構(gòu)成外,還含有其他抗原性蛋白,而且取決于脫細(xì)胞處理方法,殘留的細(xì)胞成分也決定著免疫反應(yīng)的發(fā)生。因?yàn)?,完全除去?xì)胞膜及細(xì)胞核物質(zhì)是困難的,或是不可能的[9]。以非交聯(lián)SIS(無細(xì)胞的)進(jìn)行的動(dòng)物試驗(yàn)中出現(xiàn)了Th2型免疫反應(yīng),再次植入增強(qiáng)了Th2型反應(yīng),但未出現(xiàn)致敏[10]。研究表明,豬SIS含有少量半乳糖(α-gal)抗原決定簇,雖然半乳糖決定簇的含量和分布,或產(chǎn)生的抗體未導(dǎo)致補(bǔ)體活化[11],SIS在人體應(yīng)用后也未檢測(cè)到抗半乳糖抗體增加[9],但也反應(yīng)了這類細(xì)胞外基質(zhì)材料具有免疫原性的現(xiàn)實(shí)。非交聯(lián)SIS降解代謝迅速(單層約90%在28 d降解,多層在90~120 d完全降解),也許是SIS未引起排斥性反應(yīng)的原因。而低劑量半乳糖決定簇的持續(xù)存在是異種移植慢性排斥的原因[12],降解緩慢或經(jīng)交聯(lián)處理的細(xì)胞外基質(zhì)材料可能會(huì)存在這樣的問題,已有報(bào)道顯示光氧化交聯(lián)的心包組織引起的抗體反應(yīng)長(zhǎng)達(dá)2年[13]。組織工程構(gòu)建的組織器官的多樣化,決定了用于不同目的的細(xì)胞外基質(zhì)具有不同性質(zhì),包括降解性能和是否需要交聯(lián)加強(qiáng)力學(xué)強(qiáng)度等,也決定了免疫學(xué)評(píng)價(jià)的必要性。而且,上述SIS試驗(yàn)結(jié)果是發(fā)生在SIS無細(xì)胞前提下,組織工程中的細(xì)胞外基質(zhì)復(fù)合細(xì)胞的免疫學(xué)評(píng)價(jià)研究尚未深入開展。
在組織工程中應(yīng)用較多的可降解聚合物包括聚乳酸、聚乙醇酸、聚羥基烷基酸酯等。一般評(píng)價(jià)其植入后的生物相容性是基于發(fā)生的異物炎癥反應(yīng)的程度,即組織反應(yīng)的纖維化和血管化的程度,目前認(rèn)為這些材料植入后局部反應(yīng)是可接受的。但新的研究表明,這類聚合物材料對(duì)機(jī)體免疫系統(tǒng)也有影響。很直接的證據(jù)來自疫苗方面的研究,利用聚乳酸或聚乳酸-聚乙醇酸(PLGA)制成可降解微球,包被抗原性蛋白,可以作為單次性疫苗而產(chǎn)生免疫作用[14],聚合物是作為免疫佐劑發(fā)揮作用,抗原的聚合物微球形式促進(jìn)了抗原呈遞細(xì)胞對(duì)其的吞噬,增強(qiáng)了巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的活化[15]。但是,在組織工程領(lǐng)域,TEMPs應(yīng)避免刺激免疫系統(tǒng)以避免排斥和免疫炎癥反應(yīng),聚合物材料的免疫佐劑效應(yīng)可能是不需要的副作用。已有研究表明這樣的免疫佐劑效應(yīng)在聚乳酸作為生物支架材料時(shí)也可能發(fā)生,模式抗原蛋白與聚乳酸多孔支架共同植入后,引起的抗體反應(yīng)雖與完全弗氏免疫佐劑有差異,但也顯著高于單純的抗原蛋白注射,且與聚乳酸微球效應(yīng)相似[16]。進(jìn)一步研究顯示,PLGA可以促進(jìn)單核細(xì)胞來源的樹突狀細(xì)胞成熟[17],該作用與PLGA形狀有關(guān),免疫佐劑作用的進(jìn)一步機(jī)理還有待研究。甲基丙烯酸-2-羥基乙酯的免疫佐劑效應(yīng)也有報(bào)道[18],在動(dòng)物試驗(yàn)中引起了對(duì)內(nèi)源性蛋白的自身抗體。另外,聚合物的抗原性也被證實(shí),動(dòng)物試驗(yàn)中檢測(cè)出了抗聚酯Dacron的抗體[19]。因此,在聚合物作為TEMPs的支架材料時(shí),對(duì)其免疫學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)成為TEMPs安全性和有效性的研究?jī)?nèi)容。
殼聚糖是自甲殼綱動(dòng)物的甲殼中提取的聚糖,或是在一些酵母菌和霉菌中合成,通過發(fā)酵得到。殼聚糖作為生物材料得到了廣泛應(yīng)用,它具有良好的生物活性,并可制成膜、海綿狀、微粒、凝膠等。研究也顯示殼聚糖具有免疫刺激活性[20],能活化非特性免疫系統(tǒng)的成分,如巨噬細(xì)胞等。在疫苗中也用作佐劑去增強(qiáng)免疫[21]。研究已發(fā)現(xiàn)針對(duì)幾丁質(zhì)產(chǎn)生的抗體,雖然報(bào)道在植入后未檢測(cè)到針對(duì)殼聚糖的抗體[22],但殼聚糖是否存在抗原性還需進(jìn)一步證明。
海藻酸鈉是1,4-糖苷鍵連接的β-D-甘露糖醛酸和α-L-古羅糖醛酸構(gòu)成的共聚物,也是應(yīng)用廣泛的天然生物材料,多從褐藻中提取,也可通過細(xì)菌發(fā)酵生產(chǎn)。研究報(bào)道海藻酸鹽微囊在疫苗配方中可發(fā)揮佐劑作用。由甘露糖醛酸含量高的海藻酸鈉植入小鼠后檢測(cè)到了海藻酸鈉抗體的產(chǎn)生[23]。而由海藻酸鈉衍生的低聚糖—寡聚甘露糖醛酸酯(Oligomannuronate)對(duì)活化的免疫細(xì)胞反應(yīng)性氧化物的產(chǎn)生有抑制作用[24]。這些結(jié)果表明了對(duì)免疫系統(tǒng)可能存在的影響。
海藻酸鈉微囊作為異種或異體細(xì)胞的免疫隔離包囊是組織工程中一類重要方法。在這樣的應(yīng)用中,微囊發(fā)揮的細(xì)胞隔離效果、微囊的分子量截?cái)喈a(chǎn)生的阻滯效應(yīng)、微囊植入產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)都是決定微囊化細(xì)胞是否發(fā)揮作用時(shí)值得評(píng)價(jià)的免疫學(xué)方面的影響因素。
組織工程中的細(xì)胞來源理論上包括異種、異體及自體細(xì)胞(體細(xì)胞或干細(xì)胞),本文的討論集中在同種異體間充質(zhì)干細(xì)胞上。間充質(zhì)干細(xì)胞(Mesenchymal Stem Cells,MSC)主要存在于骨髓,但也可從臍帶血、脂肪或其他組織分離獲得。研究報(bào)道狒狒MSC不會(huì)引起同種異體淋巴細(xì)胞的增殖[25],人MSC在混合淋巴細(xì)胞反應(yīng)中可抑制T淋巴細(xì)胞的增殖[26],抑制程度與MSC的數(shù)量具有量效關(guān)系[27]。另一方面,也有試驗(yàn)報(bào)道發(fā)現(xiàn)了主要Ⅱ類組織相容性抗原復(fù)合體(Major Histocompatibility Complex,MHC)在人MSC的較強(qiáng)表達(dá),在單向混合淋巴培養(yǎng)試驗(yàn)中,經(jīng)γ射線照射或多聚甲醛處理的MSC可以促進(jìn)同種異體T淋巴細(xì)胞的增殖[28];但在單向混合淋巴細(xì)胞培養(yǎng)試驗(yàn)中,MSC作為第三方細(xì)胞卻可以抑制淋巴細(xì)胞的增殖,并表現(xiàn)出了否定樣(Veto-like)細(xì)胞的功能[28],即對(duì)同種異體抗原引起的細(xì)胞毒性作用有抑制效果,而對(duì)記憶抗原(Recall antigen)引起的免疫反應(yīng)無影響,這種區(qū)別反應(yīng)能力對(duì)MSC的臨床應(yīng)用是有幫助的。不過,有報(bào)道在同種異體的小鼠腫瘤移植試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)MSC具有的免疫抑制作用有利于腫瘤生長(zhǎng)[29]。
此外,研究報(bào)道MSC可抑制單核細(xì)胞來源的樹突狀細(xì)胞的分化和功能[30];在一定條件下抑制自然殺傷細(xì)胞的增殖、細(xì)胞因子分泌,以及對(duì)HLA-Ⅰ類抗原的細(xì)胞毒性作用等,但活化的自然殺傷細(xì)胞能破壞MSC[31]。
生物材料支架和細(xì)胞構(gòu)成的組織工程醫(yī)療產(chǎn)品在植入后的宿主反應(yīng)包括對(duì)生物材料的(異物)炎癥反應(yīng)和對(duì)細(xì)胞的免疫反應(yīng)[32],而且對(duì)于以上所提及的膠原、細(xì)胞外基質(zhì)、聚乳酸、殼聚糖、海藻酸鈉等,還要包括生物材料本身即具有抗原性或免疫原性,或?qū)γ庖呦到y(tǒng)的影響作用。對(duì)生物材料的炎癥反應(yīng)和對(duì)細(xì)胞的免疫反應(yīng)將是相互影響的過程。生物材料引起炎癥反應(yīng)將具有佐劑效果,巨噬細(xì)胞等抗原呈遞細(xì)胞將局部出現(xiàn),因與生物材料接觸或吞噬生物材料降解產(chǎn)物而活化。炎癥反應(yīng)結(jié)果是巨噬細(xì)胞、白細(xì)胞活化,釋放細(xì)胞因子、生長(zhǎng)因子、蛋白溶酶、活性氧類和活性氮類等,而調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)的免疫細(xì)胞因子將是炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng)相互影響的環(huán)節(jié)之一。巨噬細(xì)胞等被激活后可分泌細(xì)胞因子如IL-1、IL-6、IL-12、IL-18和TNF-α、IFNγ等,可促進(jìn)T細(xì)胞增殖,增強(qiáng)細(xì)胞毒性,從而可影響植入的MSC的存活和功能。并且這些細(xì)胞因子也可直接作用于MSC,如IFNγ可以誘導(dǎo)MSC表達(dá)MHCⅡ類抗原[33]。
每一種組織工程醫(yī)療產(chǎn)品都具有獨(dú)特性,其特有的生物材料支架和細(xì)胞的組合,其引起的炎癥反應(yīng)和免疫反應(yīng),以及兩者的相互作用也將是不同和各具特點(diǎn)的,對(duì)其的評(píng)價(jià)將成為對(duì)其安全性和有效性評(píng)價(jià)中不可缺少的一環(huán)。
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B
1673-0364(2009)-01-0056-02
2008年6月20日;
2008年8月16日)
10.3969/j.issn.1673-0364.2009.01.017
國(guó)家自然科學(xué)基金(30670573)。
100050北京市中國(guó)藥品生物制品檢定所。