生物医用材料表面的拓扑结构调控间充质干细胞免疫属性的效应及机制研究

The therapeutic efficacy of biomedical materials is largely determined by their interaction with the human body. Several studies have shown that both the chemical constitution and surface topography of biomedical materials significantly affect the interaction of these materials with the immune system, but there is little available data about their effects on the immunological properties of mesenchymal stem cells (MSC). Based on our previous research (J Immuno. 2006; J Cell Sci., 2012), the immunological properties of MSC determine their survival and therapeutic efficacy after implantation. Moreover, our preliminary data showed that random surface topography of biomedical materials can induce the synthesis of pro-inflammatory factors by MSC. Therefore, we hypothesized that the surface topography of biomedical materials can significantly affect the immunological properties of MSC. Hence, our proposed research would investigate 1) the alteration of immune marker expression and cytokine secretion profile of MSCs with flow cytometry analysis and multiplex assay; 2) the effects of combining different surface molecules with varying surface topography on the immune signalling pathways of MSC, using scanning ion conductance microscopy and multi-gene expression analysis; 3) the regenerative potential of these various MSC-biomaterial composites of different surface topography upon implantation in vivo. The results obtained can facilitate the redesign and retrofit of existing biomedical materials.

材料与机体的相互作用影响材料的生物效应。研究显示生物材料成分和拓扑结构影响机体免疫细胞和反应,但尚无研究报道材料对非免疫细胞如间充质干细胞（MSC）的免疫属性的调控。我们前期研究提示MSC的免疫属性决定其移植后的存活和生物性能（J Immuno.2006; J Cell Sci.2012）,近期我们预实验发现无序纳米纤维表面拓扑结构可诱导MSC合成促炎症因子。因此我们假说生物材料表面拓扑结构调控MSC的免疫属性。本研究1）拟用流式细胞检测法及多重荧光分析法检测体外生物材料表面拓扑结构对MSC相关免疫分子的调控及诱导的免疫反应亚型，2) 用扫描离子电导显微镜及多基因分析的手段探索材料拓扑结构引起MSC表面分子排列的改变、继而诱导细胞内信号传导途径的变化机制，3) 采用体内组织缺损模型验证这些改变对组织修复的影响。明确这些效应及机制对组织工程化支架产品的设计和改造具有重要的参考和指导意义。

生物材料在组织再生过程中对间充质干细胞（MSCs）免疫功能的影响是再生医学研究领域中的热点。本研究已尝试构建多种拓扑结构的生物支架，包括不同形态（微球、微丝和膜）的PLGA和不同浓度的GelMa，观察其对人源胚胎干细胞分化的间充质干细胞的免疫属性的影响规律，并在体外和体内进一步探索机制以及对再生的影响。结果显示PLGA的微球、微丝和膜与MSCs共培养会引起不同程度的淋巴细胞反应和增殖，与单独MSCs显著抑制淋巴细胞增殖相比，都有明显抑制减弱，说明这些支架削弱了MSCs的免疫调控能力，但不同拓扑结构之间无显著性差异，推测不同拓扑结构的尺寸需要进一步优化。而GelMa的浓度越高（20%）对MSCs的免疫属性调节表现出较弱的免疫原性和较低的免疫趋化特性，以及较强的免疫调控能力。进一步体外全基因组测序和生物信息学分析以及CRISPR-Cas9敲基因实验提示JAK3在调控MSCs免疫原性方面起着重要作用。体内研究显示MSCs的外泌体在再生中起重要作用，历经5次构建和优化人源化小鼠，刚刚验证完体外实验中MSCs的免疫原性，尚待植入生物支架与MSCs的复合物以确定对再生效果的影响。该结果为选择和优化不同生物材料支架用于不同免疫微环境的组织再生提供了理论依据。本项目研究期间已在《Biomaterials》（SCI影响因子8.806）、《Stem Cell Research & Therapy》（SCI影响因子4.963）和《Applied Materials Today》（CiteScoreTracker value of 9.90）上发表了3篇高影响因子学术论文，并主编了1期SCI期刊《Stem Cells International》（影响因子3.989）。本项目培养了1名博士研究生和1名硕士研究生，其中博士研究生已发表5篇科研论文，连续3年获得学校优秀研究生和三好学生，并获得罗氏奖学金；项目负责人也于2015年获得国家留学基金委资助赴哈佛医学院访学。另外，基于该项目的研究内容、技术和成果，扩大了与其他院校的研究合作，2018年参与了国家重点研发计划《材料与组织工程制品对免疫微环境的动态变化规律与作用机制》，使该项目研究内容得到很好的延续。