革命性突破！Nature | 麻省理工科学家发明一种'隐形斗篷'能防止瘢痕组织在医疗植入物周围形成，延长植入设备的使用寿命

2024-05-31

心脏起搏器等医疗设备植入人体后，通常会引起免疫反应，导致植入物周围形成瘢痕组织。这种瘢痕形成被称为纤维化，会影响医疗设备的功能，甚至可能需要将其取出。在一项新的研究中，来自麻省理工学院的研究人员发现了一种简单而普遍的消除纤维化的方法，即在医疗设备表面上涂一层水凝胶粘合剂，从而防止医疗设备出现这种故障。这种水凝胶粘合剂能将医疗设备粘合到组织上，防止免疫系统对其进行攻击。相关研究结果于2024年5月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“Adhesive anti-fibrotic interfaces on diverse organs”。论文共同通讯作者、麻省理工学院机械工程教授和土木与环境工程教授 Xuanhe Zhao 说，“许多研究团队和公司的梦想都是在体内植入某种长期不会被人体发现的东西，而这种设备可以提供治疗或诊断功能。如今，我们有了这样一种‘隐形斗篷’，它非常通用：既不需要药物，也不需要特殊的聚合物。”这项研究中使用的这种水凝胶粘合剂是由称为水凝胶的交联聚合物制成的，类似于他们以前开发的帮助密封内部伤口的手术胶带。他们发现，其他类型的水凝胶粘合剂也可以防止纤维化，他们认为这种方法不仅可以用于心脏起搏器，还可以用于传感器或递送药物或治疗细胞的设备。预防纤维化近年来，Zhao实验室开发了具有多种医疗应用的粘合剂，包括可用于愈合手术切口或内部伤口的双面胶带和单面胶带。这些粘合剂的工作原理是利用聚丙烯酸（一种用于尿布的吸水材料）迅速吸收湿组织中的水分。一旦水分被清除，聚丙烯酸中称为 NHS 酯的化学基团就会与组织表面的蛋白形成牢固的粘合。这一过程大约只需要五秒钟。几年前，Zhao和论文共同通讯作者Hyunwoo Yuk开始探索这类粘合剂是否也能帮助保持医疗植入物的位置，并防止其发生纤维化。为了验证这一想法，论文第一作者、麻省理工学院博士后Jingjing Wu在聚氨酯设备上涂上了他们的粘合剂，并将其植入大鼠的腹壁、结肠、胃部、肺部或心脏。几周后，他们取出该设备，发现没有明显的瘢痕组织。在其他动物模型上进行的测试也显示出同样的情况：无论在哪里植入涂有粘合剂的设备，纤维化在长达三个月的时间里都不会发生。Wu说，“这项研究确实确定了一种非常通用的策略，不仅适用于一种动物模型、一种器官或一种应用。在所有这些动物模型中，我们都得到了一致的、可重复的结果，没有任何可观察到的纤维化包膜（fibrotic capsule）。”图片来自Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07426-9这些作者利用bulk RNA 测序和荧光成像技术分析了动物的免疫反应，发现在首次植入带有粘合涂层的设备时，中性粒细胞等免疫细胞开始渗入该区域。不过，在瘢痕组织形成之前，这些攻击很快就被熄灭了。Yuk说，“对于附着的设备来说，由于它是一种外来材料，因此会出现急性炎症反应。不过，这种炎症反应很快就会消退，从此就不会形成纤维化。”这种粘合剂的一种应用可能是作为心外膜起搏器的涂层。与心脏接触的导线经常会发生纤维化，但是研究人员发现，当他们把涂有粘合剂的导线植入大鼠体内时，这些导线至少在三个月内仍能正常工作，而且没有瘢痕组织形成。机械线索这些作者还测试了一种含壳聚糖（chitosan）的水凝胶粘合剂，其中壳聚糖是一种天然存在的多糖，他们发现这种粘合剂在动物实验中也能消除纤维化。不过，他们测试的两种市售组织粘合剂并没有显示出这种抗纤维化效果，因为市售粘合剂最终会与组织分离，让免疫系统发起攻击。在另一项实验中，他们在植入物表面上涂上水凝胶粘合剂，然后将其浸泡在一种溶液中，这种溶液可以去除所形成的聚合物的粘合特性，同时保持其整体化学结构不变。植入体内后，通过缝合固定，出现了纤维化瘢痕。他们说，这表明这种粘合剂与组织之间的机械相互作用阻止了免疫系统的攻击。Zhao说，“以往的免疫学研究主要集中在化学和生物化学方面，但机械学和物理学可能发挥着同等重要的作用，我们应该关注免疫反应中的这些机械和物理线索。”他如今计划进一步研究这些机械线索如何影响免疫系统。Yuk、Zhao和其他人创办了一家名为SanaHeal的公司，目前正致力于进一步开发用于医疗应用的组织粘合剂。Yuk说，“作为一个团队，我们有兴趣向科学界报告这一成果，并引发人们对这一成果未来发展方向的猜测和想象。”参考资料：Jingjing Wu et al. Adhesive anti-fibrotic interfaces on diverse organs. Nature, 2024, doi:10.1038/s41586-024-07426-9.本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！