关节软骨组织工程中凝胶态支架的免疫隔离及其应用

同种异体软骨组织工程是有希望的关节软骨修复技术，但免疫排斥是阻碍其临床应用的关键障碍之一。利用优化设计支架的自身性质调控宿主免疫排斥反应为解决此问题提供了新的思路。尤其是，具有与天然软骨相类似结构的凝胶态支架已经在一些研究中表现出了良好的免疫隔离效果，获得了较高成功率。但是，对于免疫隔离形成的机理，与哪些材料学及免疫学因素相关，以及如何针对免疫隔离优化支架设计均缺乏研究。因此，本申请拟利用前期已报道的胶原支架体系，对免疫隔离的产生，其与支架物理隔离能力，降解速度及新生软骨基质形成之间的动态关系，以及隔离环境对种子细胞免疫性质的影响，对炎性细胞因子免疫激活作用的抑制等问题进行探索研究；最后，依据所获得的规律，提供具有优化的免疫隔离能力，能够避免严重排斥反应的凝胶支架构建思路及实例。本研究的结果将有助于加深对支架免疫隔离效果的认识，从这个角度提出支架优化设计的原则，为后续的进一步研究打好基础。

利用优化设计支架自身性质来调控宿主免疫排斥反应为解决同种异体软骨组织工程临床关节软骨修复中的免疫安全性问题提供了新的思路。为此，本项目首先构建了不同物理性质的胶原支架，尤其是不同浓度胶原凝胶支架后分别与软骨细胞及间充质干细胞复合构建工程化复合物。在考察这些工程化复合物体外培养过程中种子细胞及复合物整体免疫性质的变化，并将这些变化与支架性质之间的关系进行了探讨后，本项目证明了凝胶态支架存在免疫隔离效果，并且这种隔离效果可以通过对支架材料的设计而加以调整。进一步，对种子细胞在不同支架中免疫学及细胞生物学性质变化的研究部分揭示了这种免疫隔离效果产生的原因。通过构建不搭载种子细胞的不同支架并进行体内植入后考察支架的降解情况，以及使用透析袋模型搭载分别以软骨细胞及间充质干细胞作为种子细胞的工程化复合物后植入动物体内肌肉及关节腔内比较新生软骨样基质的形成与植入物免疫性质的变化，本研究明确了免疫隔离在修复的初期来源于支架的物理隔离，但修复位点局部微环境与支架的相互作用-促使新生软骨基质的形成，在免疫隔离的维持上起着更为重要的作用。通过对工程化复合物植入体内不同位点后种子细胞的包括存活与增殖情况、分化情况及膜表面免疫分子表达等性质的比较，及其与所处植入位点微环境之间关系的分析，本研究发现良好设计的支架，不仅通过物理隔离起作用，在植入位点微环境的共同影响下，支架对种子细胞自身免疫性质也可有效调节。另外，体外培养过程中软骨细胞作为种子细胞的工程化复合物免疫性质的变化说明了这种来自于支架的调节可以作用于除了间充质干细胞这类本身具有免疫调节性质的细胞之外的其他类型的细胞。考虑到临床修复过程中可能面临的局部复杂炎性环境，通过在研究模型中加入炎性细胞因子后考察工程化复合物免疫性质的变化，本研究证明了良好设计的胶原支架，以及新生成的胞外基质，不仅隔离机体免疫细胞与种子细胞的相互作用，对炎性介质也有明显隔离与限制，因此即使在复杂炎性环境中支架性质对宿主免疫排斥的调控依然可以有明显的效果。最后，本研究的这些结果说明，在同种异体种子细胞软骨组织工程支架设计中考虑为免疫隔离以及新生基质形成的优化，可能有助于提高修复效果，避免可能的免疫排斥反应的担忧。