基于新型“免疫屏蔽”水凝胶材料的长效“人造胰岛”

1型糖尿病是一种由自身免疫缺陷导致体内胰岛素绝对缺乏的全球性慢性代谢疾病,全世界有超过3000万病患者。目前1型糖尿病尚无根治手段,常规的治疗方法是每天定时注射外源性胰岛素。然而,这种方法不但会给病人带来痛苦和经济负担,更会因剂量难以精确控制,导致病人出现低血糖等不良反应,长期注射甚至会导致威胁生命的并发症。近年来,将胰岛包埋在生物材料中构建“人造胰岛”并移植到患者体内是一种从根本上治疗1型糖尿病的有效方法。“人造胰岛”可替代患者体内已失去功能的胰岛,动态响应血糖变化分泌胰岛素,从而使病人彻底摆脱对外源性胰岛素注射的依赖。然而,人体的天然免疫防御机制对外来移植物产生的排异反应(Foreign Body Reaction,FBR),是限制该技术成功应用的瓶颈问题。但是,当前能躲避免疫系统识别、实现“免疫屏蔽”的材料极为稀少。因此,开发能够同时躲避免疫识别并能长效包埋维持胰岛活性的新材料,实现快速稳定血糖调控是目前该领域面临的巨大挑战。

天津大学化工学院生物化工系张雷教授课题组针对这一问题,提出平衡电荷抗污原理,开发了一种具有高效抗生物粘附和“免疫屏蔽”能力的新型水凝胶材料,使用该水凝胶构建的“人造胰岛”能够在糖尿病小鼠体内实现长效控糖。该研究团队受具有优异抗生物粘附性质的电中性、超亲水两性离子材料启发,同时结合海藻酸钠易于成胶的特性,创造性地提出了一种通过平衡带有相反电荷的聚电解质制备可快速成胶、躲避FBR水凝胶的策略。通过调节聚阴离子电解质海藻酸钠(Alg)和聚阳离子电解质聚乙烯亚胺(PEI)的比例,制备了整体呈电中性,具有优异抗蛋白质、细胞、细菌粘附性质的Alg/PEI水凝胶。该水凝胶不仅能够高效无损包埋胰岛,而且能够长期维持包埋胰岛的活性和正常的胰岛素分泌功能。所构建的“人造胰岛”在复杂的体内环境下,仍能有效抵抗生物粘附及免疫识别,避免FBR及纤维囊的形成,成功实现体内“免疫屏蔽”。更重要的是,将新型“人造胰岛”移植到糖尿病小鼠腹腔后,糖尿病小鼠的血糖可以在2天内快速降低到正常水平,并且在实验期间稳定维持至少150天。与传统的海藻酸钠水凝胶及其衍生物相比,在降糖速度、控糖时间和稳定性方面具有显著的优势。

该新型水凝胶不但具有优异的生物相容性和突出的“免疫屏蔽”效果,且成本低、易制备,有利于扩大生产,为细胞治疗、组织工程等医药健康领域提供了新的有力手段。该工作最近发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201900140)上,并于当期Inside Back Cover做简要介绍。论文的第一作者为张嘉敏博士,共同第一作者为博士生朱迎男。