基于新型单细胞纳米封装方法的细胞治疗作用研究

Cell encapsulation can prevent the immunological rejection and improve the cell viability in cell therapy application. Unfortunately, the macro dimension of encapsulated cells, loose structure of the encapsulation layer, and short sustenance period of encapsulation in current cell encapsulation systems have difficulty in meeting the protective and long-term immunosuppression requirements. In the present proposal, the physical approach, layer-by-layer (LbL) assembly, combine with thiol-maleimide click chemistry and transglutaminase (TG) enzymatic crosslinking reaction are developed for the encapsulation of single human bone marrow mesenchymal stem cell (hMSC) and islet cell, respectively. The single hMSC nanoencapsulation system has high resistance to physical stress and can achieve on-demand cell release. The single islet cell nanoencapsulation system has the long-term immunoisolation ability and can maintain the high cell activity. The mechanisms and influencing factors on nanoencapsulation process are investigated by characterization of single cell biological, such as activity, proliferation and cell cycle. The effect of cell nanoencapsulation system on stem cell therapy and islet cell transplantation are evaluated by animal experiment. The successful implementation of the present proposal can exploit the new direction for single cell nanoencapsulation, and enrich the knowledge of encapsulated cell biology, and provide reference for the clinical application of cell encapsulation in cell therapy.

细胞封装技术能够解决细胞治疗过程中面临的免疫排斥反应、细胞存活率低等问题。现有细胞封装技术普遍存在封装细胞尺寸过大，封装层易解离，封装效果维持时间短等缺陷。本项目基于层层自组装技术，利用点击化学反应、酶生物催化反应，分别实现单个人骨髓间充质干细胞（hMSC）和胰岛细胞的纳米封装。其中所构建的单hMSC纳米封装系统既具备较高的抗物理应力能力，又满足细胞定位释放的需求；所构建的单胰岛细胞纳米封装系统则既能实现长期免疫隔离，又能保持较高的细胞活性。在此基础上，系统研究封装细胞活性、增殖能力、细胞周期等生物学性质变化情况，揭示单细胞纳米封装的发生机制和影响因素，并建立动物模型对细胞封装系统用于干细胞治疗、胰岛细胞移植进行评价。本项目的成功实施将开辟单细胞纳米封装系统构建的新方法和新途径，阐明细胞纳米封装发生机制，丰富对封装细胞生物学性质的研究，为封装细胞在细胞治疗的临床应用提供理论依据和解决方案。

为了解决现有细胞封装技术普遍存在的封装细胞尺寸大、封装层易解离、封装效果维持时间短等不足。本项目基于层层自组装（LbL）技术分别构建单个人骨髓间充质干细胞（hMSC）和胰岛细胞的纳米封装系统，从而实现干细胞治疗和胰岛细胞移植目的。其中，采用酶响应性材料，通过LbL技术结合thiol-maleimide点击反应的策略实现了hMSC细胞的纳米封装和定位释放；采用LbL技术结合谷氨酰胺转胺酶（TGase）催化交联反应，在单个人胰岛素瘤细胞（MIN6）表面构建了细胞保护性纳米封装层。项目详细考察了封装过程对细胞活性的影响以及封装壳层的细胞保护能力，探究了纳米封装壳层的形成机制和影响因素。研究结果表明，所构建的单个hMSC封装系统具有长期稳定的包封效果，且封装细胞显示出高细胞活力和抵抗物理应力能力。可以通过改变LbL的循环数来调节封装层的渗透性。特别是，能够通过肿瘤相关酶MMP-7酶解作用实现了细胞现场释放；所构建的单个MIN6细胞封装系统既可以逃避具有细胞毒性物质的攻击，又能进行正常的生命活动，从而实现保护细胞的目标。同时，该方法具有普适性，可用于其他细胞（例如HeLa）的封装。本项目将物理方法与化学反应、生物酶催化反应相结合实现单细胞在温和条件下的稳定封装，为细胞封装技术的发展提供新途径。同时，该成果有望解决现有细胞运输和注射过程中的细胞活性低、细胞功能受损等问题，以及细胞移植过程中出现的免疫排斥等问题，具有良好的临床应用价值。