使用 QCM-D 表征異物對(duì)功能涂層修飾種植體的反應(yīng)

如今，植入手術(shù)已成為常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)。然而，與受損創(chuàng)傷愈合相關(guān)的潛在風(fēng)險(xiǎn)仍然存在。這些并發(fā)癥可能會(huì)給治療帶來(lái)挑戰(zhàn)，并對(duì)患者的整體康復(fù)過(guò)程產(chǎn)生不利影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員正在尋找改善種植體整合和降低感染風(fēng)險(xiǎn)的方法。

為了更多地了解該研究領(lǐng)域以及如何應(yīng)用QSense 耗散型石英晶體微天平分析技術(shù)（QCM-D）促進(jìn)該領(lǐng)域研究的工作，百歐林的Malin Edvardsson博士聯(lián)系了奧斯陸大學(xué)生物材料系副教授Hanna Tiainen。Tiainen教授的研究重點(diǎn)是生物材料涂層及其對(duì)活體組織生物反應(yīng)的影響。在她的團(tuán)隊(duì)中，他們特別關(guān)注如何利用植物多酚來(lái)應(yīng)對(duì)種植體表面的炎癥和細(xì)菌感染。最近，他們進(jìn)行了一項(xiàng)研究¹，以檢測(cè)這些涂層如何影響蛋白質(zhì)吸附并調(diào)節(jié)種植體表面上的細(xì)胞行為。在本文中，我們將分享從采訪 Tiainen 教授中學(xué)到的內(nèi)容。

種植體周?chē)膫谟鲜軗p可能會(huì)給患者帶來(lái)問(wèn)題

雖然植入種植體以恢復(fù)功能或美觀已成為一種常見(jiàn)的外科手術(shù)，但是Tiainen教授表示，種植體周?chē)膫谟鲜軗p可能會(huì)給患者帶來(lái)很多麻煩，種植體與周?chē)M織的整合不良通常會(huì)導(dǎo)致持續(xù)感染，而這種感染是難以治療的，并且通常將移除受感染的種植體作為有效的治療選擇。

設(shè)計(jì)不會(huì)觸發(fā)免疫系統(tǒng)的表面的挑戰(zhàn)

種植體整合不良通常與身體對(duì)其作為異物的反應(yīng)有關(guān)，這種由我們的免疫系統(tǒng)引發(fā)的所謂異物反應(yīng)對(duì)于每種材料來(lái)說(shuō)，取決于生物分子如何吸附在植入材料的表面上。這個(gè)過(guò)程與我們的免疫系統(tǒng)用抗原標(biāo)記細(xì)菌和病毒，以便免疫細(xì)胞中和并清除它們非常相似。我們面臨的挑戰(zhàn)在于創(chuàng)造一個(gè)不會(huì)觸發(fā)免疫系統(tǒng)對(duì)抗，且不會(huì)引起炎癥和種植體包囊化的表面。

開(kāi)發(fā)降低感染風(fēng)險(xiǎn)的生物材料

Tiainen 教授繼續(xù)解釋說(shuō)，免疫系統(tǒng)的反應(yīng)高度依賴(lài)于細(xì)胞如何“看到"植入材料的表面。這主要是由生物分子的初始吸附來(lái)定義的。如果我們了解特定表面上的潛在吸附機(jī)制，可以嘗試協(xié)調(diào)吸附過(guò)程，以促使特定蛋白質(zhì)優(yōu)先吸附，或改變其構(gòu)象以顯示或隱藏影響傷口愈合和體內(nèi)種植體接受程度的重要受體區(qū)域，Tiainen教授說(shuō)。

“我們的研究重點(diǎn)是了解材料的物理和化學(xué)表面特性如何影響與活體組織直接接觸的生物材料的生物反應(yīng)，"Tiainen 教授說(shuō)。我們目前的許多研究工作都集中在開(kāi)發(fā)多功能生物材料和表面，以改善組織整合并降低感染風(fēng)險(xiǎn)，特別是在植入生物材料周?chē)淖匀粋谟峡赡苁艿綕撛诼匝装Y疾病或癌癥治療阻礙的情況下。

這項(xiàng)具體研究¹是挪威研究委員會(huì)資助的一個(gè)研究項(xiàng)目的一部分，在該項(xiàng)目中，我們專(zhuān)注于使用植物多酚來(lái)解決種植體表面的炎癥和細(xì)菌感染，植物多酚是在幾種植物性食品中發(fā)現(xiàn)的一組抗氧化劑和抗菌化合物。 Tiainen 教授表示，我們特別有興趣了解這些多酚涂層如何改變蛋白質(zhì)吸附方式并改變種植體表面的細(xì)胞行為，因此我們的QSense Analyzer 石英晶體微天平分析儀一直被頻繁使用于這個(gè)項(xiàng)目。

分析以了解對(duì)涂層種植體表面的異物反應(yīng)

Tiainen 教授說(shuō)，在我們已發(fā)表的研究¹中，我們研究了當(dāng)我們用抗氧化劑多酚分子修飾鈦種植體表面時(shí)，對(duì)鈦種植體的異物反應(yīng)如何改變。免疫系統(tǒng)和軟組織相互作用的總體效果可以通過(guò)血液和細(xì)胞培養(yǎng)物來(lái)研究。通過(guò)研究與改性植入材料接觸過(guò)的血液中的凝血和補(bǔ)體激活標(biāo)記物，我們可以將其與未改性的對(duì)照表面的反應(yīng)進(jìn)行比較。同樣，在體外細(xì)胞研究中，我們可以了解到改性是否對(duì)參與創(chuàng)傷愈合的細(xì)胞產(chǎn)生任何不良影響。然而，這兩種方法都無(wú)法直接回答細(xì)胞為何對(duì)材料表面產(chǎn)生如此反應(yīng)。因此，我們需要另一種方法來(lái)更多地了解生物分子如何在表面上吸附，并在周?chē)h(huán)境中與細(xì)胞進(jìn)一步相互作用，Tiainen 教授解釋道。

了解細(xì)胞對(duì)材料表面產(chǎn)生特定反應(yīng)的原因

Tiainen 教授表示， QCM-D 能夠使我們探究與鈦對(duì)照表面相比多酚分子對(duì)表面的修飾如何改變其對(duì)蛋白質(zhì)的吸附。我們特別感興趣的是了解蛋白質(zhì)與表面的結(jié)合牢固程度，以及它們是否可以被具有更高親和力的其他蛋白質(zhì)吸附所替代。這種重塑過(guò)程在文獻(xiàn)中通常被稱(chēng)為 Vroman 效應(yīng)。我們獲得的 QCM-D 結(jié)果還使我們能夠根據(jù)吸附蛋白質(zhì)的特征、吸附行為和薄膜特性推斷吸附蛋白質(zhì)的構(gòu)象。

使用QSense QCM-D 分析表征蛋白質(zhì)與功能性種植體涂層的相互作用

Tiainen 教授表示，QCM-D 技術(shù)對(duì)于實(shí)時(shí)檢測(cè)液體環(huán)境中蛋白質(zhì)與多酚層的相互作用特別有幫助。

簡(jiǎn)而言之，實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行過(guò)程如下：

?  在向QSense Analyzer 儀器通入含有蛋白質(zhì)的溶液之前，先在鈦芯片上沉積幾個(gè)納米厚度的多酚薄膜。

?  在涂層沉積和研究生物分子吸附之間，使用緩沖溶液沖洗芯片，直到獲得穩(wěn)定的基線。

?  在監(jiān)測(cè)蛋白質(zhì)吸附后，我們檢查了用緩沖溶液沖洗芯片期間有多少吸附的分子被解吸附了。

QCM-D 測(cè)量結(jié)果顯示，與未改性的鈦相比，多酚表面改性的蛋白質(zhì)吸附量更高。特別是QSense DFind分析軟件的高級(jí)建模功能使我們能夠發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)薄膜粘彈性行為差異，表明在我們改性的鈦表面上吸附的蛋白質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

QCM-D 分析的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果是，用多酚分子修飾的種植體表面顯示釋放了抗氧化劑多酚分子，保護(hù)粘附的細(xì)胞免受氧化應(yīng)激的影響，而修飾表面上血漿蛋白質(zhì)的吸附變化導(dǎo)致血液中的亞群激活略微減少，Tiainen教授說(shuō)道。

一種抑制植入材料免疫反應(yīng)并降低傷口愈合受損風(fēng)險(xiǎn)的方法

Tiainen 教授說(shuō)，表面改性是影響材料與體內(nèi)活組織接觸時(shí)發(fā)生的復(fù)雜生物相互作用的有效工具。在這項(xiàng)研究¹中，我們發(fā)現(xiàn)多酚涂層改變了吸附的蛋白質(zhì)層，并減少了對(duì)鈦的先天免疫反應(yīng)，鈦本身是一種具高度生物相容性的材料，在植入體內(nèi)時(shí)通常會(huì)引起較低的異物反應(yīng)。由于我們可以在幾乎任何材料的表面沉積一層薄薄的多酚分子，因此我們可以利用我們的表面改性方法來(lái)減弱對(duì)那些已知會(huì)比鈦引起更強(qiáng)烈異物反應(yīng)的種植體材料的初始免疫反應(yīng)，Tiainen教授總結(jié)道。

參考文獻(xiàn)

1.          Weber, F., et al., J. Biomed. Mater. Res. A, 2022, 110(7):1341-1355