造血干细胞骨髓移植已成为许多疾病的标准治疗方法，包括血液和淋巴系统癌症、镰状细胞性贫血、遗传性代谢紊乱和放射性损伤。不幸的是，许多骨髓移植失败是由于患者的免疫系统或移植物抗宿主病(移植的骨髓细胞攻击患者的健康细胞)，这两种疾病都可能是致命的。
已知间充质基质细胞(MSC)分泌调节免疫系统的化合物，并在动物实验中显示出缓解这些问题的希望。然而，到目前为止，骨髓间充质干细胞的临床结果令人失望，因为它们很快就能从体内清除，并能吸收患者免疫系统的攻击。
今天，首先在科学领域，来自怀斯生物灵感工程研究所、哈佛大学约翰保尔森工程和应用科学学院(SEAS)和哈佛干细胞项目(HSCI)的研究人员展示了一种有效的单细胞封装技术。保护移植的MSCs免于清除和免疫攻击，提高小鼠骨髓移植成功率。这部作品在PNAS出版。
“据我们所知，这是单细胞封装用于改善细胞治疗的第一个例子，这在许多疾病的治疗中变得越来越普遍，”第一作者Angelo Mao博士说，他是Wyss核心教员实验室的前毕业生，也是Wyss免疫材料平台的负责人，David Mooney博士。怀斯的核心老师詹姆斯佩里恩斯博士现在的博士后是谁？“此外，我们封装的细胞可以冷冻和解冻，对细胞性能的影响最小，这在医院和其他治疗中心的环境中至关重要。”
这一进展是基于该团队先前开发的一种方法，该方法使用微流体设备在单个活细胞上涂上一层薄薄的藻酸盐基水凝胶，从而产生他们所说的“微凝胶”。这种方法以90%的效率包裹细胞，获得的微凝胶足够小，可以通过静脉输送，这与其他方法生产的大体积水凝胶不同。当注射到小鼠体内时，用这种技术封装的骨髓间充质干细胞在动物肺中的存留时间是“裸”骨髓间充质干细胞的十倍，并且存活时间长达三天。
因为大量的MSCs在临床上具有吸引力，因为它们分泌调节免疫系统的化合物，所以研究人员需要测试微凝胶封装如何影响MSCs的功能和抵抗免疫攻击的能力。他们通过添加另一种与藻酸盐交联的化合物来改变最初的藻酸盐微凝胶，这使得微凝胶更硬，对人体的免疫系统和清除机制更具抵抗力。他们还在封装后培养骨髓间充质干细胞，使其分裂并产生更多的细胞。当这些新的微凝胶注射到小鼠体内时，它们的持久性比以前的微凝胶高5倍，比裸骨髓间充质干细胞高一个数量级。
为了诱导针对MSC的免疫反应，研究小组将封装的细胞在含有胎牛血清的培养基中孵育，胎牛血清在被引入小鼠之前被身体识别为外来物。尽管包封的间充质干细胞的清除率高于没有免疫激活时观察到的清除率，但仍比裸MSCs低5倍。当注射到对骨髓间充质干细胞有预先存在的免疫记忆反应的小鼠中时，微凝胶也优于裸骨髓间充质干细胞，裸骨髓间充质干细胞模拟了接受多次干细胞输注的人类患者的给药。
暴露于炎性细胞因子的MSCs通过增加其免疫调节基因和蛋白质的表达来做出反应，因此研究人员随后测试了其新微凝胶中的包裹是否影响了这种反应。他们发现，当暴露于相同的细胞因子时，暴露和封装的骨髓间充质干细胞具有相当高的基因表达水平，这证明微凝胶不会损害MSCs的表现。
由于它们的耐药性，研究小组将含有MSC的微凝胶注射到小鼠体内，并同时移植骨髓。其中一半与受体小鼠免疫相容，一半为同种异体或免疫不匹配。与未接受骨髓间充质干细胞的小鼠相比，接受包裹的骨髓间充质干细胞的小鼠骨髓和血液中异基因骨髓细胞的比例在9天后增加了两倍以上。与裸骨髓间充质干细胞相比，包裹的MSCs还能更大程度地将同种异体细胞植入宿主骨髓。
“这项工作的一个优点是，它使用了一种完全非遗传的方法来显著提高移植环境中的细胞存活率，这是非常需要的，”Mooney说，他也是Robert P. Pinkas家族的生物工程教授。海域。“这项技术很好地补充了基因工程方法，事实上，它可能比试图直接修饰免疫细胞本身更有效。”
Wyss Institute的验证项目计划支持将这种方法作为人类患者缺血(血管狭窄)的一种可能治疗方法进行推广，并希望在不久的将来证明其临床可行性。验证项目是具有潜在高影响应用的技术，通过重要的概念改进，成功开发并满足技术、产品开发和知识产权的预定义标准。
“这项技术同时解决了骨髓移植和干细胞治疗的许多问题，使用了一种基于生物材料的优雅方法，这代表了我们在Wyss研究所非常重视的跨学科思维，”Wyss创始主任Donald Ingber说。医学博士，医学博士，HMS血管生物学犹大福克曼教授，波士顿儿童医院血管生物学项目，SEAS生物工程教授。“我们非常高兴支持这个项目，因为它正在走向临床验证，我们期待微囊化的其他潜在应用，以解决药物和细胞递送问题。”
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