使用 QCM-D 表征異物對功能涂層修飾種植體的反應(yīng)
使用 QCM-D 表征異物對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)癥可能會給治療帶來挑戰(zhàn)，并對患者的整體康復(fù)過程產(chǎn)生不利影響。為了解決這個(gè)問題，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應(yīng)對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。
種植體周圍的傷口愈合受損可能會給患者帶來問題
雖然植入種植體以恢復(fù)功能或美觀已成為一種常見的外科手術(shù)，但是Tiainen教授表示，種植體周圍的傷口愈合受損可能會給患者帶來很多麻煩，種植體與周圍組織的整合不良通常會導(dǎo)致持續(xù)感染，而眾所周知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唯一有效的治療選擇。
設(shè)計(jì)不會觸發(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)對于每種材料來說都是獨(dú)一無二的，它取決于生物分子如何吸附在植入材料的表面上。這個(gè)過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)不會觸發(fā)免疫系統(tǒng)對抗，且不會引起炎癥和種植體包囊化的表面。
開發(fā)降低感染風(fēng)險(xiǎn)的生物材料
Tiainen 教授繼續(xù)解釋說，免疫系統(tǒng)的反應(yīng)高度依賴于細(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。
“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。我們目前的許多研究工作都集中在開發(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圍的自然傷口愈合可能受到潛在慢性炎癥疾病或癌癥治療阻礙的情況下。
這項(xiàng)具體研究1是挪威研究委員會資助的一個(gè)研究項(xiàng)目的一部分，在該項(xiàng)目中，我們專注于使用植物多酚來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。
分析以了解對涂層種植體表面的異物反應(yīng)
Tiainen 教授說，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血液和細(xì)胞培養(yǎng)物來研究。通過研究與改性植入材料接觸過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，這兩種方法都無法直接回答細(xì)胞為何對材料表面產(chǎn)生如此反應(yīng)。因此，我們需要另一種方法來更多地了解生物分子如何在表面上吸附，并在周圍環(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照表面相比多酚分子對表面的修飾如何改變其對蛋白質(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。這種重塑過程在文獻(xiàn)中通常被稱為 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)對于實(shí)時(shí)檢測液體環(huán)境中蛋白質(zhì)與多酚層的相互作用特別有幫助。
簡而言之，實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行過程如下：
如今，植入手術(shù)已成為常見的標(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)癥可能會給治療帶來挑戰(zhàn)，并對患者的整體康復(fù)過程產(chǎn)生不利影響。為了解決這個(gè)問題，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應(yīng)對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。
種植體周圍的傷口愈合受損可能會給患者帶來問題
雖然植入種植體以恢復(fù)功能或美觀已成為一種常見的外科手術(shù)，但是Tiainen教授表示，種植體周圍的傷口愈合受損可能會給患者帶來很多麻煩，種植體與周圍組織的整合不良通常會導(dǎo)致持續(xù)感染，而眾所周知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唯一有效的治療選擇。
設(shè)計(jì)不會觸發(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)對于每種材料來說都是獨(dú)一無二的，它取決于生物分子如何吸附在植入材料的表面上。這個(gè)過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)不會觸發(fā)免疫系統(tǒng)對抗，且不會引起炎癥和種植體包囊化的表面。
開發(fā)降低感染風(fēng)險(xiǎn)的生物材料
Tiainen 教授繼續(xù)解釋說，免疫系統(tǒng)的反應(yīng)高度依賴于細(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。
“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。我們目前的許多研究工作都集中在開發(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圍的自然傷口愈合可能受到潛在慢性炎癥疾病或癌癥治療阻礙的情況下。
這項(xiàng)具體研究1是挪威研究委員會資助的一個(gè)研究項(xiàng)目的一部分，在該項(xiàng)目中，我們專注于使用植物多酚來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。
分析以了解對涂層種植體表面的異物反應(yīng)
Tiainen 教授說，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血液和細(xì)胞培養(yǎng)物來研究。通過研究與改性植入材料接觸過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，這兩種方法都無法直接回答細(xì)胞為何對材料表面產(chǎn)生如此反應(yīng)。因此，我們需要另一種方法來更多地了解生物分子如何在表面上吸附，并在周圍環(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照表面相比多酚分子對表面的修飾如何改變其對蛋白質(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。這種重塑過程在文獻(xiàn)中通常被稱為 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)對于實(shí)時(shí)檢測液體環(huán)境中蛋白質(zhì)與多酚層的相互作用特別有幫助。
簡而言之，實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行過程如下：
- 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，使用緩沖溶液徹底沖洗芯片，直到獲得穩(wěn)定的基線。
- 在監(jiān)測蛋白質(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，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減弱對那些已知會比鈦引起更強(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)
- Weber, F., et al., J. Biomed. Mater. Res. A, 2022, 110(7):1341-1355
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