聚己内酯 - 聚三亚甲基碳酸酯静电纺丝纤维支架降解对巨噬细胞行为和组织再生的影响

The host may is a good source of cells and a more efficient “bioreactor” than the current in vitro tissue engineering paradigm. To design cell-free biodegradable vascular grafts that degrade in vivo to yield neo-arteries is a effective way to solve the shortage problem of small diameter native arteries. How to keep the balance between “scaffold degrading” and “ tissue remodeling” is a main problems in this field. Moreover, macrophages induce the degradation of biomaterial in vivo, and play an important role for host remodeling. In our previous works, our study group have prepared electrospun PCL-PTMC fiber scaffold which showed diffetent degradation rate in body. So, in present study, we try to study the effect of different degradation rate of PCL-PTMC fiber scaffold on macrophages behavior (such as polarization, fusion, gene expression and secretion of active substance) by the the test of macrophages seeding on scaffold surface and implantation in subcutaneous tissue of mouse. Through analysis of the experiment results, the internal relations will be discovered among the degradation rate, macrophages behavior and tissue remodeling. Base on the internal relations, the small diameter electrospun PCL-PTMC vascular prosthesis will be prepared according to the optimized electrospun parameters. The host response process, such as inflammatory reaction, material degradation and tissue remodeling of vascular wall will be observed through long-term rat abdominal aorta implantation model. Whether the electrospun PCL-PTMC fiber scaffold is appropriate for small diameter native arteries substitute will be judge by the results of vascular implantation experiment.

利用机体作为生物反应器，将生物可降解材料制成的血管假体植入体内，经过材料降解和宿主细胞的组织重塑，获得新生血管的策略是解决临床小口径动脉血管严重不足的有效途径，但如何实现“支架降解”和“组织重塑”之间的平衡是困扰该领域发展的主要问题之一。巨噬细胞与生物材料的体内降解密切相关，又是调节组织重塑的中心环节。因此，本项目在前期工作的基础上，通过巨噬细胞体外种植和皮下组织埋置实验，研究聚己内酯-聚三亚甲基碳酸酯（PCL-PTMC）静电纺丝材料在体内不同速率的降解对巨噬细胞极化、融合、基因表达、活性物质分泌等行为的影响，揭示支架材料降解速率、巨噬细胞行为与组织重塑三者之间的内在联系，并以此为依据，优化静电纺丝参数，制备小口径血管假体，通过长期的大鼠腹主动脉移植实验，观察其炎症反应、材料降解、管壁重塑等宿主应答过程，评价其作为小口径血管替代物的可能性，为获得理想的血管移植物材料提供实验基础和理论依据。

本项目通过巨噬细胞体外种植和皮下组织埋置实验，研究聚己内酯/聚三亚甲基碳酸酯（PCL/PTMC）静电纺丝材料在体内不同速率的降解对巨噬细胞极化、迁移、融合、蛋白表达等行为的影响，揭示支架材料降解速率、巨噬细胞行为与组织重塑三者之间的内在联系，并以此为依据，优化静电纺丝参数，制备小口径血管假体，通过大鼠腹主动脉移植实验，观察其炎症反应、材料降解、管壁重塑等宿主应答过程，评价其作为小口径血管替代物的可能性，为获得理想的血管移植物材料提供实验基础和理论依据。取得的主要研究成果包括：（1） PCL/PTMC静电纺丝支架材料具有易于宿主细胞长入的纤维多孔性结构，良好的力学性能、热稳定性及细胞相容性，通过改变静电纺丝条件，可以得到形态相似，但力学性能、降解速率不同的PCL/PTMC静电纺丝纤维支架材料。（2）体内植入PCL/PTMC静电纺丝支架材料，产生的宿主应答反应主要包括：①组织损伤造成的以凝血级联反应、补体反应、有粒白细胞渗出及脱颗粒、活性氧（ROS）代谢为主要特点的急性炎症反应；②由M1 型巨噬细胞/异物巨细胞介导的侵蚀性降解过程；③以单核/巨噬细胞持续激活为驱动的慢性炎症反应、骨髓性白细胞免疫应答、自体干细胞征集与ECM重塑和组织重建过程。（3）与PCL支架材料相比，PCL/PTMC支架材料能引起更为活跃的宿主应答反应，其周围组织中性粒细胞脱颗粒相关蛋白表达上调，有氧呼吸相关蛋白下调，糖酵解途径上调，补体和凝血相关基因上调，活性氧代谢上调，炎症反应相关蛋白上调，损伤修复相关蛋白上调，FcR介导的细胞吞噬上调。（4）PCL/PTMC支架材料通过粘附吸收大量M1巨噬细胞、巨噬细胞融合形成异物巨细胞进行侵蚀性降解，PCL/PTMC支架材料的侵蚀性降解速率与PTMC含量正相关，侵蚀性降解过程激活巨噬细胞糖酵解代谢途径，分泌乳酸引起巨噬细胞周围微环境的变化，促进M2及M1/M2中间表型巨噬细胞的产生；适当的M1/M2型巨噬细胞比值有利于持续的材料降解和组织重建过程。（5）PCL/PTMC（3:1）复合支架材料不仅具有良好的力学性能、易于宿主细胞长入的纤维多孔性结构，而且能在体内较快降解；血管移植术后3m，形成内、中、外3层结构， 3层结构中均可见M2型巨噬细胞分布，未见明显的钙化组织。因此，PCL/PTMC（3:1）静电纺丝支架材料可能是一种较为理想的原位组织工程血管材料。