胰島移植高分子生物材料支架研究進(jìn)展

廖世波 黃淑玉* 奚廷斐 吳 敏 鄒 毅 李 玲 朱 釗

1(武漢科技大學(xué)附屬孝感醫(yī)院內(nèi)分泌科，湖北 孝感 432000)2(北京大學(xué)深圳研究院人體組織再生與修復(fù)深圳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518057)

胰島移植高分子生物材料支架研究進(jìn)展

廖世波1黃淑玉1*奚廷斐2吳 敏1鄒 毅1李 玲1朱 釗1

1(武漢科技大學(xué)附屬孝感醫(yī)院內(nèi)分泌科，湖北 孝感 432000)2(北京大學(xué)深圳研究院人體組織再生與修復(fù)深圳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518057)

肝臟可能不是胰島移植最理想的環(huán)境，肝內(nèi)胰島移植相關(guān)的問(wèn)題阻礙其廣泛應(yīng)用。體內(nèi)許多部位都曾被嘗試用來(lái)作為胰島移植的替代位點(diǎn)，但到目前為止還沒(méi)有找到一個(gè)最適宜胰島移植的部位。開發(fā)生物工程材料支架用于肝外胰島移植可能是一種理想的選擇。概述近3年胰島移植高分子生物材料支架的研究現(xiàn)狀，包括天然高分子材料支架、人工高分子材料支架、人工-天然復(fù)合材料支架、全器官脫細(xì)胞支架和3D生物打印支架，最后對(duì)其前景進(jìn)行展望。

胰島移植；生物材料；支架；3D生物打印

引言

糖尿病是當(dāng)前威脅人類健康的最重要的非傳染性疾病之一。糖尿病在全球流行，國(guó)際糖尿病聯(lián)盟(IDF)最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2015年全球有4.15億糖尿病患者，而中國(guó)約占1/4，有1.09億人[1]。目前，已知的藥物不能實(shí)現(xiàn)糖尿病治愈，外科減重手術(shù)有嚴(yán)格的適應(yīng)癥且產(chǎn)生近期或遠(yuǎn)期并發(fā)癥。胰腺整體移植可以使糖尿病患者(尤其是1型糖尿病患者)脫離外源性胰島素，胰腺移植技術(shù)的發(fā)展使得胰腺/腎臟聯(lián)合移植方式中胰腺移植1年和5年存活率達(dá)87%和72%[2]。但胰腺供體來(lái)源匱乏和移植后心血管并發(fā)癥、手術(shù)并發(fā)癥等風(fēng)險(xiǎn)限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。埃德蒙頓方案的提出在門靜脈肝內(nèi)胰島移植技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑的意義，然而接受此方案治療的糖尿病患者的長(zhǎng)期隨訪結(jié)果并不理想，只有約10%的患者在移植后5年內(nèi)保持胰島素獨(dú)立性[3]。門靜脈胰島移植的缺點(diǎn)包括[4]：胰島暴露于瞬時(shí)血液介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，循環(huán)血液中有抗自身抗原的抗體；肝臟中胰島移植部位的缺血和纖維化；患者需終身使用免疫抑制劑。體內(nèi)許多部位都曾經(jīng)被嘗試用來(lái)作為胰島移植的位點(diǎn)，但到目前為止還沒(méi)有找到一個(gè)最適宜胰島移植的環(huán)境部位。

生物材料可以承載細(xì)胞，重現(xiàn)天然微環(huán)境，以生理方式釋放治療藥物和通過(guò)呈遞物質(zhì)引導(dǎo)細(xì)胞定向生長(zhǎng)和增殖[5]?？梢赃\(yùn)用生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)將生物材料引入胰島移植制成平面播散裝置、柱形播散裝置、球形膠囊(微膠囊、大膠囊)、保形涂層、多孔支架等，用來(lái)保持胰島的活力和提高移植的效率[6]。目前研究較多且較成熟的膠囊胰島封裝技術(shù)解決了免疫排斥的問(wèn)題，但由于只能在胰島外表面實(shí)現(xiàn)血管化，故受到氧氣彌散能力的限制[7-8]。使用工程化的聚合物支架來(lái)創(chuàng)建一個(gè)人工定制的胰島移植位點(diǎn)可能是一個(gè)完美的選擇，因?yàn)槎嗫字Ъ苣茉谝葝u內(nèi)重建血管系統(tǒng)。聚合物支架作為胰島移植理想載體應(yīng)該具備以下特點(diǎn)[9]：不干擾胰島的功能和活力；支持快速的血運(yùn)重建；只觸發(fā)輕微的甚至不觸發(fā)免疫系統(tǒng)激活；具有與機(jī)體組織和外科植入操作相適應(yīng)的機(jī)械性能等。本研究對(duì)近3年胰島移植高分子材料支架的研究進(jìn)展做一綜述。

1 胰島移植生物材料支架研究現(xiàn)狀

1.1 天然高分子材料支架

天然高分子材料可以被微生物分解為無(wú)害物質(zhì)。通過(guò)表面改性等技術(shù)對(duì)天然高分子進(jìn)行處理可以使其成為生物醫(yī)用材料。天然高分子材料及其降解產(chǎn)物具有良好的生物相容性和較低的免疫原性。

膠原是天然的細(xì)胞外基質(zhì)成分。McBane JE等[10]將Ⅰ型膠原、殼聚糖在1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亞胺(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide, EDC)和N-羥基琥珀酰亞胺(N-hydroxysuccinimide, NHS)的作用下發(fā)生交聯(lián)，然后與甘氨酸和循環(huán)成血管細(xì)胞(circulating angiogenic cells， CACs)混合并在37℃下孵育形成Ⅰ型膠原-殼聚糖水凝膠。體外和體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明該水凝膠具有優(yōu)良的機(jī)械性能、可調(diào)控的降解速率和更高的促血管生成細(xì)胞因子水平。故認(rèn)為該Ⅰ型膠原-殼聚糖水凝膠是具有促血管生成作用的胰島移植良好載體。Ellis C等使Ⅰ型膠原基質(zhì)在交聯(lián)劑EDC和NHS的作用下，與殼聚糖、硫酸軟骨素和層粘連蛋白結(jié)合形成膠原-殼聚糖-硫酸軟骨素-層粘連蛋白(collagen-chitosan-chondroitin- laminin, CCCL)共聚物凝膠支架[11-12]。該支架具有均勻的微觀形貌和孔隙率，將新生豬胰島種植到該支架上并植入到無(wú)免疫能力的B6.Rag-/-小鼠皮下，研究結(jié)果表明，該聚合物支架能減少胰島細(xì)胞凋亡，保持胰島活力和功能的完整，同時(shí)能促進(jìn)整個(gè)移植體移植后的再血管化；BALB/c小鼠皮下移植試驗(yàn)可以得到類似的結(jié)果。這些結(jié)果表明，CCCL共聚物支架不僅能夠促進(jìn)血管生成，而且具有免疫屏障的作用。

纖維蛋白具有良好的血液相容性和組織相容性，其作為止血?jiǎng)?chuàng)傷愈合劑和可降解生物材料在臨床上廣泛應(yīng)用。Bhang SH等以纖維蛋白水凝膠作為基材，將人脂肪來(lái)源干細(xì)胞(human adipose-derived stem cells, hADSCs)和大鼠胰島共移植到糖尿病大鼠皮下[13]。移植后，hADSCs一方面通過(guò)分泌各種生長(zhǎng)因子使胰島免受缺氧損傷，另一方面通過(guò)過(guò)表達(dá)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)在移植的胰島周圍招募新生毛細(xì)血管。測(cè)試結(jié)果表明，大鼠的血糖水平在移植3天后恢復(fù)正常并維持到試驗(yàn)結(jié)束(3周內(nèi))。結(jié)論最終認(rèn)為以纖維蛋白水凝膠為載體，hADSCs和胰島共移植擴(kuò)大了胰島移植治療的適應(yīng)癥，這在臨床上具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。Berman DM等用血漿和重組人凝血酶(recombinant human thrombin, rhT)、凝血因子Ⅱa催化纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白形成凝膠塊制備可吸收性生物支架[14]。具體方法為：以STZ誘導(dǎo)的糖尿病大鼠和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物作為模型，先將胰島細(xì)胞團(tuán)與血漿混合，再將此混合漿料涂布于網(wǎng)膜表面，然后將rhT滴到混合漿料表面使其迅速凝膠化并使胰島附著在網(wǎng)膜上，最后將網(wǎng)膜折疊起來(lái)以增加支架的容量和內(nèi)部聯(lián)絡(luò)。結(jié)果表明該支架能防止胰島聚集成團(tuán)，尤其適用于低純度胰島制劑的移植；該支架有利于新生血管的形成和胰島存活；通過(guò)此種方法進(jìn)行胰島移植可獲得與肝內(nèi)胰島移植相媲美的胰島功能。令人鼓舞的是該支架目前已進(jìn)入Ⅰ/Ⅱ臨床試驗(yàn)階段。

蠶絲蛋白(silk fibroin, SF)是一種從蠶絲中提取的天然高分子纖維蛋白，其具有良好的生物相容性和可塑變形性，在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域被廣泛研究。Yuan X等將SF溶液與IV型膠原混合后通過(guò)冷凍干燥技術(shù)制備SF-IV膠原三維支架，將MIN-6β細(xì)胞種植在支架上形成人工胰腺裝置并在體外培養(yǎng)7天，然后將該裝置移植到C57BL/6J糖尿病小鼠的腹腔中進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)[15]。體外試驗(yàn)結(jié)果表明，SF-IV膠原三維支架顯示出良好的互穿間隙和更高的孔隙率，MIN-6β細(xì)胞在支架中能維持其原有形態(tài)并表現(xiàn)出比常規(guī)平板培養(yǎng)更高的活力；體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，MIN-6β細(xì)胞在支架中具有更持久的胰島素分泌功能。故認(rèn)為，SF-IV膠原支架可作為胰島共培養(yǎng)和移植的載體。

胰島分離過(guò)程中細(xì)胞周圍環(huán)境的破壞最終影響移植胰島的功能和活力。這種環(huán)境的重建是至關(guān)重要的，Johansson U等[16]使用常規(guī)分子克隆技術(shù)將層粘連蛋白的細(xì)胞結(jié)合序列RGD插入到蛛絲蛋白的N末端上，對(duì)其進(jìn)行修飾后制成三維泡沫支架，以產(chǎn)生一種模擬天然細(xì)胞微環(huán)境的基質(zhì)。小鼠胰島與支架體外共培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，胰島在蛛絲蛋白三維支架上能夠發(fā)生再血管化；進(jìn)一步的人胰島體外培養(yǎng)結(jié)果表明，帶有細(xì)胞結(jié)合序列RGD的蛛絲蛋白基質(zhì)增強(qiáng)了人胰島細(xì)胞體外生存的能力，使其能在體外保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能達(dá)3個(gè)月以上；胰島能夠沿著蛋白絲形成血管樣結(jié)構(gòu)并與基質(zhì)之間建立細(xì)胞-基質(zhì)聯(lián)絡(luò)。此外該基質(zhì)能夠促使新的、分泌胰島素的胰島樣細(xì)胞團(tuán)的形成，后者通過(guò)內(nèi)皮細(xì)胞與原始胰島相聯(lián)系。

胰島移植的主要障礙之一是移植物的氧供不足，這導(dǎo)致移植物中局部區(qū)域的細(xì)胞死亡。Montazeri L等[17]通過(guò)應(yīng)用產(chǎn)氧微粒(microparticles, MP)和纖維蛋白-肝素/膠原-血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子海綿支架來(lái)解決這個(gè)限制：MP由聚乙烯吡咯烷酮/過(guò)氧化氫(PVP/H2O2)核和聚(乳酸-乙醇酸)(PLGA)殼以及殼上固定的過(guò)氧化氫酶組成，MP的存在減少了缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞功能障礙和死亡，使缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1α)定位在細(xì)胞質(zhì)中并增強(qiáng)其代謝功能。MP與胰島在纖維蛋白-肝素/膠原-血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子海綿支架上共培養(yǎng)后進(jìn)一步的C57BL/6J糖尿病模型小鼠體內(nèi)(網(wǎng)膜囊)移植試驗(yàn)結(jié)果表明，MP能夠顯著增強(qiáng)移植物的功能，包括改善血糖水平、控制體重、改善氧供和促進(jìn)胰島移植物的血運(yùn)重建等。

預(yù)防同種異體移植物排斥是當(dāng)前異體移植治療策略中的主要挑戰(zhàn)。終生治療與免疫抑制藥物可以減輕移植排斥，但這增加了感染和惡性腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)。基于生物材料的策略可能有利于克服同種異體細(xì)胞移植免疫排斥反應(yīng)。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(Transforming growth factor-β, TGF-β)是一種免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子，其在自身免疫性疾病和癌癥中對(duì)抗原特異性炎癥起抑制作用，故可以促進(jìn)免疫耐受微環(huán)境的產(chǎn)生。Orr S等[18]研究了通過(guò)親和綁定TGF-β(模擬與硫酸乙酰肝素的結(jié)合方式)在高度血管化大孔藻酸鹽支架中形成免疫調(diào)節(jié)環(huán)境的可行性。將該裝置移植到C57BL/6J小鼠腎囊下進(jìn)行體內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明，該裝置既能增加移植細(xì)胞的活力，又能通過(guò)產(chǎn)生免疫耐受微環(huán)境增強(qiáng)移植物與宿主的整合。

1.2 人工高分子材料支架

相對(duì)于天然高分子材料，人工高分子材料具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、更均一的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和更穩(wěn)定的理化性能。

聚乙二醇無(wú)毒，無(wú)刺激性，具有良好的親水性、生物相容性和控緩釋性能，其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。Borg DJ等[19]制備了經(jīng)黏附多肽修飾的聚乙二醇-肝素大孔星形冷凍凝膠支架。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞作為附屬細(xì)胞與胰島在該支架上共培養(yǎng)，支架為胰島提供合適的機(jī)械應(yīng)力，間充質(zhì)干細(xì)胞分泌細(xì)胞外基質(zhì)蛋白促進(jìn)胰島黏附。進(jìn)一步的C57BL/6J小鼠皮下移植試驗(yàn)結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、生物分子功能可調(diào)節(jié)且具有加載輔助細(xì)胞能力的支架是一種非常有前景的肝外胰島移植載體。Phelps EA等[4]通過(guò)將聚乙二醇-馬來(lái)酰亞胺(polyethylene glycol maleimide, PEG-MAL)大分子單體與細(xì)胞粘附肽RGD預(yù)孵化交聯(lián)制成生物功能化的PEG-MAL水凝膠，該水凝膠被用作將胰島遞送至小腸系膜并促進(jìn)移植物血管化的載體。將大鼠胰島和VEGF封裝在PEG-MAL水凝膠中(VEGF可通過(guò)酶降解的方式按需釋放)，然后移植到健康大鼠的小腸系膜并在體內(nèi)經(jīng)過(guò)4周血運(yùn)重建。測(cè)試結(jié)果表明，PEG-MAL基質(zhì)能夠支持胰島活性并優(yōu)化胰島素分泌，PEG-MAL基質(zhì)在植入體內(nèi)1周后就有明顯的新生血管長(zhǎng)入，向PEG-MAL基質(zhì)中添加VEGF增強(qiáng)了移植物的血管化反應(yīng)。進(jìn)一步的C57BL/6J小鼠小腸系膜內(nèi)移植試驗(yàn)結(jié)果表明，該工程化水凝膠內(nèi)的VEGF和RGD通過(guò)控制呈遞，顯著改善了移植胰島的血管化和功能；該水凝膠材料無(wú)毒，且可通過(guò)蛋白水解(膠原酶Ⅰ)后從腎臟排泄；糖尿病小鼠高血糖完全逆轉(zhuǎn)所需移植胰島的數(shù)量減少了40%；與通過(guò)肝門靜脈輸注胰島的臨床標(biāo)準(zhǔn)相比，水凝膠遞送的胰島顯著改善體重增加[20]。故認(rèn)為，該工程化水凝膠在增強(qiáng)胰島移植和胰島功能方面具有重大潛力。

聚已內(nèi)酯(polycaprolactone, PCL)具有良好的生物相容性和生物降解性，其在細(xì)胞培養(yǎng)、控緩釋藥物載體、外科手術(shù)縫線等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。Marchioli G等[21]將VEGF靜電結(jié)合到肝素化的環(huán)形PCL三維支架上，該支架作為水凝膠核心形成胰島封裝體，在雞胚尿囊膜模型上的移植試驗(yàn)結(jié)果表明，該封裝體能夠快速血管化并顯示出胰島內(nèi)分泌功能。Smink AM等[22]將聚(D，L-丙交酯-共-ε-己內(nèi)酯)(poly(D,L-lactide-co-ε-caprolactone), PDLLCL)作為支架材料，先將該裸支架植入到糖尿病大鼠皮下以實(shí)現(xiàn)組織響應(yīng)和支架的血管化，再將胰島細(xì)胞團(tuán)注射植入到該支架中，3天后糖尿病大鼠的血糖恢復(fù)正常，這種降糖效應(yīng)在試驗(yàn)進(jìn)行的16周內(nèi)持續(xù)存在。故認(rèn)為PDLLCL是一種在人工胰島皮下移植中有利于胰島存活的聚合物支架材料。肝臟可能不是胰島移植的最佳部位，因?yàn)楦闻K胰島移植部位存在缺乏血管化、低氧分壓、即時(shí)血液介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)等不利微環(huán)境條件[9]。Buitinga M等[23]利用聚環(huán)氧乙烷對(duì)苯二甲酸乙二醇酯和聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PEOT/PBT)的嵌段共聚物通過(guò)靜電紡絲法制備支架，支架平均孔徑為400 μm，深度為350 μm。通過(guò)改變?cè)摴簿畚镏懈鹘M分的含量可以調(diào)節(jié)其物理性能和降解行為。體外試驗(yàn)結(jié)果表明，PEOT/PBT支架能夠防止胰島聚集、保持胰島天然的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能，支架內(nèi)部的開放多孔結(jié)構(gòu)利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)擴(kuò)散和新生血管迅速長(zhǎng)入。最后認(rèn)為PEOT/PBT是胰島肝外移植非常有應(yīng)用前景的支架材料。

Smink AM等進(jìn)一步測(cè)試比較了PDLLCL、PEOT/PBT嵌段共聚物和聚砜(三種材料均已通過(guò)美國(guó)FDA批準(zhǔn)并在臨床得到廣泛應(yīng)用)作為胰島移植聚合物支架材料的活力、功能和免疫參數(shù)[9]。體外試驗(yàn)結(jié)果表明，與PEOT/PBT嵌段共聚物、聚砜相比，在PDLLCL上培養(yǎng)的胰島具有更強(qiáng)的內(nèi)分泌功能，PDLLCL上雙鏈DNA(dsDNA)的釋放量也顯著降低。而dsDNA促進(jìn)額外的免疫應(yīng)答，其與細(xì)胞壞死、凋亡、自噬和繼發(fā)性凋亡等細(xì)胞死亡過(guò)程相關(guān)[24]?？梢?jiàn)，PDLLCL材料支架具有更好的免疫隔離作用。因此認(rèn)為，PDLLCL支架是人工胰島移植非常有前景的載體。

生物材料的植入往往會(huì)引發(fā)局部炎癥反應(yīng)，從而損害組織再生、促使移植細(xì)胞凋亡和出現(xiàn)功能障礙。Liu JMH等通過(guò)原位轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(TGF-β1)呈遞來(lái)調(diào)節(jié)支架和移植細(xì)胞周圍的免疫環(huán)境[25],他們使用氣體發(fā)泡和顆粒浸出法制備含有無(wú)孔中間層的能夠加載蛋白質(zhì)的聚(乳酸-乙醇酸)(poly(lactide-co-glycolide), PLGA)層狀支架，支架中間層包埋TGF-β1,外層用于種植細(xì)胞以及與宿主組織的整合。將支架植入雄性C57BL/6J糖尿病小鼠附睪脂肪墊，測(cè)試結(jié)果表明，釋放TGF-β1的支架上炎癥細(xì)胞因子TNF-α，IL-12和MCP-1的表達(dá)較對(duì)照組支架降低40%以上；相對(duì)應(yīng)地白細(xì)胞浸潤(rùn)也減少了60%；釋放TGF-β1的支架能夠顯著提高同種異體胰島應(yīng)對(duì)排斥反應(yīng)的能力和在移植第1周內(nèi)控制血糖水平的能力。

聚二甲基硅氧烷(poly(dimethylsiloxane)， PDMS)無(wú)毒無(wú)味，常被用作醫(yī)用消泡劑。Pedraza E等使用溶劑澆鑄和顆粒浸出法制備了PDMS大孔三維支架，并研究胰島在支架上的保持、分布、代謝功能和胰島素分泌情況[26]。測(cè)試結(jié)果表明，該支架材料具有良好的生物穩(wěn)定性和生物相容性，正常氧張力下PDMS支架內(nèi)的胰島表現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)條件相當(dāng)?shù)幕盍凸δ埽脱鯊埩ο翽DMS支架內(nèi)的胰島與標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)條件的胰島相比表現(xiàn)出更高的活力和功能，糖尿病大鼠體內(nèi)(網(wǎng)膜囊)試驗(yàn)結(jié)果表明，該支架內(nèi)胰島移植能迅速恢復(fù)血糖水平。故認(rèn)為，PDMS支架可用于肝外胰島移植。

1.3 人工-天然復(fù)合材料支架

天然高分子材料具有較高的細(xì)胞識(shí)別能力、較好的組織相容性和可生物降解性，但性質(zhì)不穩(wěn)定、需要高水平的純化；人工高分子材料可以保證材質(zhì)的均勻性，可精確控制降解速率和進(jìn)行化學(xué)改性?？蓪⑻烊徊牧虾腿斯げ牧辖Y(jié)合起來(lái)，制成人工-天然高分子復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)兩類材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

胰腺胰島微環(huán)境的破壞加上在分離過(guò)程中氧供的減少，導(dǎo)致胰島存活力低下。纖維蛋白天然存在于血漿中，具有良好的組織相容性和細(xì)胞相容性。Schaschkow A等將全氟化碳在磷脂E80的作用下形成全氟萘烷乳劑(perfluorodecalin emulsions, ePFD)，將分離胰島置于補(bǔ)充有ePFD(10% w/v)的血漿基質(zhì)中，然后加入凝血酶使其中的纖維蛋白原裂解為纖維蛋白，從而固化為三維復(fù)合基質(zhì)支架[27]。體外試驗(yàn)和大鼠體內(nèi)移植試驗(yàn)結(jié)果表明，該支架能夠維持胰島原有形態(tài)并使其缺氧程度減輕，從而使胰島在培養(yǎng)和移植過(guò)程中的損失率降低。

高度大孔支架通過(guò)限定胰島的三維分布為胰島移植提供理想的微環(huán)境，同時(shí)允許宿主脈管系統(tǒng)浸潤(rùn)長(zhǎng)入。Brady AC等先使纖維蛋白凝膠通過(guò)表面含有生長(zhǎng)因子和整合素結(jié)合位點(diǎn)的纖維粘連蛋白(fibronectin, FN)片段，與血小板源性生長(zhǎng)因子(platelet derived growth factor, PDGF-BB)整合形成纖維蛋白/纖維粘連蛋白/血小板源性生長(zhǎng)因子(Fibrin/FN/PDGF-BB)促血管生成水凝膠，此水凝膠再和大孔聚二甲基硅氧烷(PDMS)支架組合起來(lái)作為胰島移植載體[28]。C57BL/6J小鼠體內(nèi)試驗(yàn)表明，該胰島移植載體顯著加快同源小鼠血糖的恢復(fù)，這主要是由于移植物內(nèi)主動(dòng)脈干分枝增多和胰島內(nèi)血管成熟加速所致。因此認(rèn)為，這種生物穩(wěn)定大孔支架和促血管生成水凝膠組合，對(duì)于肝外胰島移植來(lái)說(shuō)是一個(gè)良好的載體。

吲哚胺2,3-雙加氧酶(indoleamine 2,3-dioxygenase, IDO) 存在于真皮層成纖維細(xì)胞中，其作為一種免疫調(diào)節(jié)酶，主要通過(guò)形成一個(gè)缺乏色氨酸的環(huán)境，而對(duì)周圍的CD4+和CD8+ T細(xì)胞產(chǎn)生選擇性抑制增殖和誘導(dǎo)凋亡的作用[29]。Hosseini-Tabatabaei A等將膠原溶液與硫酸軟骨素在一定條件下按比例混合后，進(jìn)一步處理形成交聯(lián)凝膠，聚乙烯醇再與上述交聯(lián)凝膠化合形成膠原-糖胺聚糖交聯(lián)基質(zhì)(cross-linked collagen glycosaminoglycan matrix, CCM)支架[30]。CCM是一種液體基質(zhì)，其在37℃條件下可發(fā)生固化。將攜帶IDO基因的慢病毒轉(zhuǎn)導(dǎo)的C57BL/6J小鼠成纖維細(xì)胞和同種異體胰島一起植入到該復(fù)合物支架上形成胰島移植體。體外試驗(yàn)結(jié)果表明，表達(dá)IDO的成纖維細(xì)胞改善同種異體胰島的功能和活力；STZ糖尿病小鼠體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，局部成纖維細(xì)胞通過(guò)表達(dá)IDO增加移植部位和移植物引流淋巴結(jié)處FOXP3+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的數(shù)量和阻止CD4+、CD8+ T細(xì)胞入侵來(lái)延長(zhǎng)胰島移植體的存活時(shí)間。

1.4 全器官脫細(xì)胞支架

細(xì)胞與支架的相互作用對(duì)細(xì)胞行為的調(diào)節(jié)是至關(guān)重要的。理想的組織工程支架可以為種植的細(xì)胞提供與天然細(xì)胞外基質(zhì)相同或相似的微環(huán)境。天然細(xì)胞外基質(zhì)來(lái)源于自然組織和器官，可以通過(guò)提供囊括體內(nèi)復(fù)雜微環(huán)境的生理化的構(gòu)架滿足這一要求。

全器官脫細(xì)胞基質(zhì)為工程化組織中細(xì)胞的再生提供了一種理想的支架，因?yàn)槠渑c原始組織具有生理相似性，包括完整的三維解剖結(jié)構(gòu)、保留了細(xì)胞外基質(zhì)組分的空間排列、脈管網(wǎng)絡(luò)和生物機(jī)械性能。Mirmalek-Sani SH等在肝素鈉存在的條件下通過(guò)灌注1% Triton X-100/0.1% ammonium hydroxide制備了豬全胰腺脫細(xì)胞三維支架[31]，測(cè)試結(jié)果表明，該支架內(nèi)的細(xì)胞成分有效地被去除，而細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)和天然血管網(wǎng)絡(luò)得以保留；將人類干細(xì)胞和豬胰島種植到該脫細(xì)胞支架上，結(jié)果表明，該脫細(xì)胞支架能夠促進(jìn)細(xì)胞黏附，有利于細(xì)胞功能的維持。他們認(rèn)為豬全胰腺脫細(xì)胞支架可作為生物人工胰島載體用于治療糖尿病。Goh SK等通過(guò)灌注脫細(xì)胞技術(shù)制備了ICR小鼠全胰腺脫細(xì)胞支架[32]，該支架保留了胰腺天然的三維結(jié)構(gòu)、脈管系統(tǒng)和導(dǎo)管通路等細(xì)胞外基質(zhì)組分，同時(shí)也保持了其原有的生物力學(xué)性能。將胰腺外分泌細(xì)胞和內(nèi)分泌細(xì)胞重新種植到該支架上，結(jié)果表明，該支架具有非常好的細(xì)胞相容性且能增強(qiáng)胰島素基因的表達(dá)。

全肝臟脫細(xì)胞支架支持細(xì)胞生長(zhǎng)、分化及功能發(fā)揮，是一個(gè)優(yōu)質(zhì)的胰島定植平臺(tái)。Xu T等使用灌注脫細(xì)胞技術(shù)成功制備了一個(gè)全肝臟脫細(xì)胞生物支架，然后將C57BL/6J小鼠胰島注入該脫細(xì)胞生物支架中[33]。體外培養(yǎng)及測(cè)試結(jié)果表明，該支架支持細(xì)胞生長(zhǎng)，有利于胰島功能的維持。朱沙俊等運(yùn)用灌注法制備完整的全肝臟脫細(xì)胞支架，并將分離純化的原代小鼠胰島經(jīng)門靜脈灌入該支架后進(jìn)行三維培養(yǎng)[34]。測(cè)試結(jié)果表明，制備的全肝臟脫細(xì)胞支架內(nèi)無(wú)明顯的細(xì)胞成分，且細(xì)胞外基質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)保存完整；小鼠胰島可以成功定植在脫細(xì)胞支架毛細(xì)血管網(wǎng)中，其形態(tài)完整、胰島素分泌功能良好。隨著生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的發(fā)展，脫細(xì)胞生物支架在胰島移植及其他再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)⒕哂胁豢晒懒康膬r(jià)值。

1.5 3D生物打印支架

生物打印技術(shù)對(duì)醫(yī)藥科學(xué)產(chǎn)生了革命性的影響，并獲得世界范圍的廣泛關(guān)注。生物打印的基本原理是使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)生物工程化模型，在“寫入”活細(xì)胞和生物材料的同時(shí)形成一個(gè)指定的逐層固化成型的組織[35]。由于其在模擬和精確定位多種細(xì)胞類型中的巨大優(yōu)勢(shì)，生物打印不僅規(guī)避了傳統(tǒng)支架制造技術(shù)的主要缺點(diǎn)，而且能夠制造具有異種細(xì)胞微環(huán)境的擬天然組織[36]。3D生物打印技術(shù)為根本解決現(xiàn)存的醫(yī)療和保健問(wèn)題提供了機(jī)遇[37]。

生物打印技術(shù)使重建胰島細(xì)胞外基質(zhì)成為可能，制造一個(gè)穩(wěn)定的、富氧的支架可有效提高移植胰島的存活率。但要想獲得一個(gè)能用于胰島移植的3D 打印支架(能對(duì)葡萄糖刺激發(fā)生響應(yīng))，幾個(gè)薄弱點(diǎn)需要解決[38]：為了便于打印，胰島必須浸潤(rùn)在某種有一定黏度的凝膠中；此外，葡萄糖還必須能夠在基質(zhì)中自由滲透。Marchioli G等[39]將胰島細(xì)胞混懸液與藻酸鹽/明膠(4%/5%，W/V)水凝膠一起裝入注射器，在逐層塑形XYZ移動(dòng)臂的控制下，水凝膠從注射器中被擠壓出來(lái)，沉積成預(yù)先設(shè)定的與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型相一致的3D生物打印支架。該支架的養(yǎng)分和氧氣傳輸能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的散裝水凝膠；分別將INS1E β細(xì)胞、人胰島和小鼠胰島在形態(tài)和活力不受影響且不發(fā)生聚集的前提下，包埋到此三維支架中進(jìn)行體外和體內(nèi)(皮下植入)試驗(yàn)，結(jié)果表明，與微囊包埋相比，在3D打印支架中的胰島被限制在一定的部位，新生血管與包埋的組織聯(lián)系更緊密，一旦血運(yùn)重建、支架降解，移植的胰島即可完全恢復(fù)分泌功能。

2 胰島移植支架的發(fā)展展望

目前胰島分離技術(shù)、胰島移植微環(huán)境和免疫調(diào)節(jié)方式還需持續(xù)不斷改進(jìn)。

無(wú)機(jī)材料生物相容性差，其生物降解性亦不易人為調(diào)控，目前未見(jiàn)將單純無(wú)機(jī)材料用作胰島移植支架的報(bào)道，僅有研究顯示，可將硅(Si)、鋁/氧化鋁(Al/Al2O3)和鈦/氧化鈦(Ti/TiO2)等少數(shù)無(wú)機(jī)材料用于胰島包封膜[40]。但無(wú)機(jī)材料支架具有孔徑均勻和孔密度高等優(yōu)點(diǎn)，在不久的將來(lái)有望出現(xiàn)集高分子材料、無(wú)機(jī)材料優(yōu)點(diǎn)于一身的高分子-無(wú)機(jī)復(fù)合材料胰島移植支架。此外，不同材料設(shè)計(jì)技術(shù)亦有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，可以將這些不同設(shè)計(jì)組合成復(fù)合裝置實(shí)現(xiàn)優(yōu)點(diǎn)的最大化[6]。這涉及多學(xué)科交叉，材料學(xué)家、生化學(xué)家、免疫學(xué)家和計(jì)算機(jī)軟件專家等需相互協(xié)作，為解決當(dāng)前的技術(shù)瓶頸不斷發(fā)掘新材料和新技術(shù)。相信隨著科技的不斷發(fā)展，在不久的將來(lái)，胰島移植一定能夠大規(guī)模運(yùn)用于臨床，使更多的糖尿病患者持續(xù)脫離外源性胰島素。

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Advances in Polymeric Biomaterial Scaffolds for Islet Transplantation

Liao Shibo1Huang Shuyu1*Xi Tingfei2Wu Min1Zou Yi1Li Ling1Zhu Zhao1

1(DepartmentofEndocrinology,XiaoganHospitalAffiliatedtoWuhanUniversityofScienceandTechnology,Xiaogan432000,Hubei,China) 2(ShenzhenKeyLaboratoryofHumanTissueRegenerationandRepair,ShenzhenInstitute,PekingUniversity,Shenzhen518057,Guangdong,China)

The liver may not be an optimal environment for islet transplantation. Problems associated with the hepatic transplantation of islets may preclude the broad application of islet transplantation. Many parts of the body have been tested as alternatives for the intrahepatic transplantation sites. Up to now, none of these sites provided ideal environments for pancreatic islets. Therefore, creating a extrahepatic transplantation site for islets through exploiting biological engineered material scaffolds become a preferred option. In this paper, the research progress on polymeric biomaterial scaffolds for islet transplantation in the last three years were reviewed, including natural polymer scaffolds, synthetic polymer scaffolds, synthetic-natural composite scaffolds, whole organ decellularized scaffolds and three-dimensional bioprinting scaffolds. The prospects was proposed and discussed as well.

islet transplantation; biomaterial; scaffold; 3D bioprinting

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 04.014

2016-12-04， 錄用日期:2017-04-13

R587.1；R318.08

A

0258-8021(2017) 04-0490-07

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: xgsnkhsy@163.com