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摘要

该协议的目的是实现胰岛的表面工程使用肝素结合 starPEG nanocoating 通过伪 bioorthogonal 化学之间的 nanocoating 琥珀组和胺组的胰岛细胞膜。

摘要

细胞表面工程可以保护植入细胞免受宿主免疫攻击。它还可以重塑细胞的景观, 以改善移植功能和生存后移栽。本协议的目的是实现胰岛的表面工程使用一个超薄肝素结合 starPEG (肝炎) nanocoating。以 n-(3-二甲氨基丙基) n-'-乙基 carbodiimide 为原料, 对胰岛表面工程中的 nanocoating, 制备肝素琥珀酰亚胺琥珀酸 (肝素-NHS)。盐酸和n-琥珀 (NHS)。然后由氨基端功能性的八武装 starPEG (starPEG-(NH2)8) 和肝素-NHS 的交联, 形成了 PEG 混合物。对于胰岛表面涂层, 通过 Histopaque 胶原酶消化和梯度纯化分离小鼠胰岛。然后用冰冷型的 PEG 溶液对孤立的胰岛进行10分钟的治疗, 使 NHS 与胰岛细胞膜胺组之间的共价键结合。Nanocoating 与肝炎, 对胰岛大小和体积和肝素化胰岛的数量和容量的最小改变, 也可能减少即时血液介导的炎症反应在胰岛移植。这种 "易于采用" 的方法对于活细胞的表面工程来说是足够温和的, 而不影响细胞的生存能力。考虑到肝素对多种细胞因子有约束力, nanocoating 也提供了一个开放的平台, 能够将无限的功能性生物介质和多层表面用于活细胞表面。生物工程。

引言

细胞治疗的疗效受低细胞滞留和生存率1、2的限制。为了改善细胞治疗的结果, 细胞表面工程通过酶操作, 肽共轭, bioorthogonal 化学和物理封装与生物材料已被利用3,4, 5,6,7,8,9,10。本议定书旨在通过将超薄肝素结合的 starPEG (肝素 PEG) nanocoating 细胞表面, 实现活细胞的表面工程, 采用 "易于采用" 的方法。本文以胰岛表面工程为例, 以胰岛的异质性和目前临床胰岛移植的贬低结果为实例。

事实上, 临床胰岛移植目前是通过直接注射孤立的胰岛进入肝门静脉, 这一程序只适用于选择性的病人, 因为缺乏捐助材料和低治疗效果11. 传统上, 海藻酸盐一直是胰岛封装和表面改性最常用的生物材料, 尽管它不太理想, 因为海藻酸盐和炎症相关纤维化的化学不稳定性12, 13。此外, 与100至200µm 的胰岛的自然大小相比, 海藻酸钠-胰岛微囊更大, 介于400和800µm 之间, 超过了氧气的生理扩散距离。在不显著改变胰岛体积的情况下, 建立了保形胰岛包封, 并进行了封装。因此, nanomembranes 的沉积, 由 PEG, 四氟乙烯, 硅膜或多层 nanocoating (也称为 "逐层" [LBL] 技术) 已报告, 从而改善离体胰岛生存率14 ,15,16,17,18, 虽然 LBL 方法往往需要广泛的胰岛处理期, 以沉积多层, 这可能会损害胰岛的生存能力.此外, 依赖于生物膜层之间的静电或共价相互作用的 nanomembranes 的不稳定性, 或 nanomembranes 与胰岛表面的疏水性相互作用也引起了有关9、14,15,16,22,23,24,25,26。

另一个限制因素, 押账治疗结果门静脉胰岛移植是即时血液介导的炎症反应 (IBMIR) 引起的直接接触的植入胰岛与血液, 导致血小板聚集,凝血和不良免疫效应或不想要的细胞活化9。为解决这些问题, 制备了一种由星形聚乙二醇 (starPEG) 组成的超薄 nanocoating, 其建立的生物相容性和多功能性作为胰岛壳体材料。肝素, 一个高度硫酸盐多糖, 也被纳入 starPEG nanocoating 其抗炎, 抗凝血性能和能力, 以促进血管化通过招募促血管生成生长因子22, 23。

研究方案

1. 肝素 Starpeg Nanocoating 的制备

  1. 肝素琥珀酰亚胺琥珀酸 (肝素-NHS) 的合成
    1. 重出0.69 克肝素, 溶于2.0 毫升冰冷的去离子水。
    2. 重出0.23 克 NHS 和溶解在0.5 毫升冰冷的去离子水在一个圆底烧瓶。
    3. 在一个圆底烧瓶中, 重出0.77 克的 EDC, 溶解在0.5 毫升的冰冷的去离子水中。
    4. 将 NHS 和 EDC 溶液混合在一个圆底烧瓶中。在室温下将混合溶液放在室温下30分钟的工作台上。
    5. 用 5031 x g的10分钟离心机, 去除过量的 edc 和 nhs。
    6. 将30毫升的冷乙醇添加到混合物溶液中, 离心机在 5031 x g处为10分钟。
      1. 重复两次。
  2. starPEG 肝素 nanocoating 的制备
    1. 加入1.0 毫升 10% (瓦特/v) starPEG-(NH2)8到一个圆底烧瓶。
    2. 添加0.67 毫升 10% (w/v) 肝素-NHS 到相同的圆底烧瓶。
    3. 将 starPEG-(NH2)8和肝素-NHS 的混合溶液放置在25摄氏度的孵化器中, 以获得一个具有粘度的清晰溶液。
      注: 对于需要荧光标记肝素的实验, 制作程序是相同的, 除了星钉-(NH2)8被溶于去离子水补充 5 (6)-羧基n-琥珀酰亚胺酯 0.1% (摩尔比) 的 starPEG-(NH2)8。)
  3. 傅里叶变换红外光谱法表征肝素 PEG nanocoating
    1. 开始前, 用丙酮和去离子水冲洗玛瑙砂浆、杵和制粒装置 (直径为13毫米的小圆盘)。使用前将玻璃器皿烘干。
    2. 将大约0.1–1% 肝素 PEG 样品与200–250镁 KBr 粉混合。
    3. 将肝素 PEG 和 KBr 混合物放入玛瑙砂浆中, 细粉碎成直径为2µm 的小颗粒。
    4. 将混合物转化成造粒装置。在真空中应用高压缩力 (8 T/厘米2) 形成透明颗粒。
    5. 轻轻地将样品丸从造粒装置中取出。小心不要拉得太硬, 以免招致裂痕。
    6. 将样品小球非常小心地转移到傅里叶变换红外光谱仪中, 以确定样品的化学结构。
  4. 用扫描电镜检查肝素 PEG nanocoating 内孔结构 (SEM)
    1. 为下列步骤, 准备标准的48井细胞培养板和吸管。
    2. 将肝素 PEG 共聚物溶液注入48井培养板的水井中。
    3. 把盘子冻在-80 摄氏度, 24 小时。
    4. Lypophilize 样品在真空环境 (0.1 Pa)-50 °c 为 24 h。
    5. 在铝存根的粘性表面上散布样品。
    6. 用金涂上样品, 观察扫描电镜下观察内孔结构。
  5. 原子力显微镜 (AFM) 检测肝素 PEG nanocoating 表面
    1. 清洁硅玻璃幻灯片与食人鱼溶液 (70% 小时2,4, 30% H2O2) 在80°c 为40分钟。
    2. 油脂实验在甲醇中的10分钟, 然后在甲苯10分钟的幻灯片。
    3. 用真空干燥干燥幻灯片。
    4. 用大量的 3-氨基丙基 triethoxysilane 溶液 (2% 甲苯) 冲洗幻灯片, 轻轻摇动。
    5. 油脂实验在甲醇中的10分钟的幻灯片, 然后在甲苯10分钟。
    6. 使用标准吸管将100µL 3% 肝素 PEG 溶液放在幻灯片表面。
    7. 在原子力显微镜下检查肝素 PEG 的表面 (50–80赫的共振频率, 0.350 N m 21 的力常数, 尖端半径为 600 nm)。

2. 用肝素 PEG Nanocoating 的小鼠胰岛表面工程

  1. 肝素 PEG nanocoating 小鼠胰岛表面涂层
    1. 用胶原酶消化和 histopaque 梯度纯化法提取小鼠胰岛, 如前所述的朱庇特19。
    2. 精选200胰岛解剖显微镜下的1.5 毫升管。
    3. 增加500µL 的 PBS 到胰岛和离心机在 503 x g 1 分钟。
    4. 脱上清液, 添加250µL 的肝素 PEG 溶液, 并保持在冰上的混合物10分钟左右, 使胰岛与肝素 peg 溶液混合良好。
    5. 离心机在 503 x g 1 分钟。
    6. 取出上清, 并添加500µL 的 PBS。吸管上下混合好。
    7. 离心机在 503 x g 1 分钟, 取出上清, 并保留胰岛进一步使用。对用肝素 peg 包覆的小鼠胰岛进行检查后, 用肝素 peg 对胰岛涂层进行了这些步骤。
  2. nanocoating 肝素 PEG 对小鼠胰岛的检测
    1. 添加 RPMI 1640 补充10% 胎牛血清的包覆胰岛和转移这些小岛成一个非带电的无菌细菌培养皿。
    2. 在倒置荧光显微镜下观察 nanocoating-肝素 PEG 包膜胰岛的形态和荧光信号。

3. 肝素 PEG 包膜小鼠胰岛与非包衣胰岛的功能比较

  1. 肝素 PEG 包膜小鼠胰岛的可行性研究
    1. 精选20的肝素 PEG 包覆小鼠胰岛, 并将其放置在一个96井细胞培养板的一个井。
    2. 用20个肝素 PEG 包覆的小鼠胰岛填充10口井。
    3. 精选20的 noncoated 控制胰岛, 并将它们放入同一96井细胞培养板的一个井中。
    4. 填充10口水井, 每个井都有 20 noncoated 控制胰岛。
    5. 将200µL 的 RPMI 1640 补充10% 胎牛血清纳入96井板, 其中包含胰岛和保持在养殖14天。
    6. 每2天更换胰岛培养基。
    7. 在14天结束时用活/死染色试剂盒治疗胰岛, 并在倒置荧光显微镜下观察。
    8. 计数 PI+ (红色) 细胞在每个胰岛下倒置荧光显微镜。
  2. 肝素 PEG 包膜小鼠胰岛的体外重建
    1. 前冷却所有实验塑料包括培养板和吸管提示至少12小时前使用。
    2. 把一个24井的地方放在一个冷却垫上。在24井细胞培养板中添加250µL 的冰冷生长因子-减少胶到每一个井。将涂敷的24井板放在4摄氏度, 至少30分钟。
    3. 当基质溶液在冰箱中设置时, 胰蛋白酶处理老鼠胰岛内皮细胞 1 (MS1)。
      1. 从组织培养瓶中取出所有培养基。用5毫升的 PBS 冲洗烧瓶。
      2. 取出 PBS, 加入3毫升的胰蛋白酶-EDTA。在标准孵化器中孵化37摄氏度, 3 分钟。
      3. 轻敲烧瓶底部, 分离细胞, 加入5毫升的血清补充培养基。
    4. 将细胞收集成15毫升离心管, 离心机在 1000 x g处, 5 分钟。
    5. 脱去上清, 加入5毫升的 PBS。吸管上下混合好。
    6. 离心机在 1000 x g 5 分钟, 脱去上清。
    7. 将血清补充的 DMEM 培养基加入管中, 并将种子5万细胞注入到基质溶液涂敷的24井板中的每个井中。
    8. 添加5肝素 PEG 涂层胰岛或 noncoated 控制胰岛每井。
    9. 在每个井中添加血清补充 DMEM 培养基, 每µL 500 个。
    10. 观察4h 和24小时在光镜下孵化后的管形成。
  3. 肝素-PEG 包膜胰岛葡萄糖刺激胰岛素分泌的研究
    注: 评估 nanocoating 是否会影响小鼠胰岛的功能, 评估葡萄糖刺激的胰岛素分泌肝素-PEG 涂层和 noncoated 胰岛。
    1. 精选30肝素-PEG 涂层胰岛或 noncoated 控制胰岛成1.5 毫升管。准备一共有10管的涂层胰岛和 noncoated 胰岛每个。
    2. 添加1毫升的生理盐溶液补充2毫摩尔葡萄糖20和孵化在37°c 为 2 h。
      注: 有关生理盐溶液的配方, 请参阅表 1。在孵化过程中保持管帽松动。
    3. 尽可能多地删除解决方案。
    4. 通过添加600µL 的生理盐溶液刺激胰岛, 补充20毫摩尔/升葡萄糖37摄氏度30分钟。
    5. 用商用胰岛素 elisa 试剂盒从每管中收集200µL, 用于胰岛素 elisa 定量。

结果

用 starPEG-(NH2)8和肝素结合 nanocoating 和 NHS 作为偶联剂, 合成了肝素 PEG (图 1)。采用红外光谱法检测肝素 PEG nanocoating 的化学结构, 如图 2所示, 肝素的特征峰可观察到3,300–3,600 厘米-1, 对应于肝素的羟基 (图 2 红色)。峰值在3,300–3,600 厘米-1 (图 2 蓝色) 的振幅下降表示 starPEG-(NH2)8酰胺组和肝素羰基基团之间的共轭。峰值1650厘米-1对应的酰胺羰基拉伸振动也减少, 表明有充分的反应与琥珀酰亚胺的肝素组和 starPEG 氨基甲酸酯-(NH2)8. 用原子力显微镜检查了肝素 PEG nanocoating 的表面结构, 并从娄等方面进行了研究, nanocoating 的高度约为 30 nm, 2 µm 宽, 有小孔特征 (暗斑) 范围在100到200毫微米之间直径10。从扫描电子显微镜获得的数据也证实了肝素 PEG 的高度互联多孔结构 (图 3), 这表明它可以适合在体内分娩期间的细胞存活。

对离体小鼠胰岛的表面涂层进行了检查, 如图 4所示, nanocoating 薄层, 绿色荧光显示, 均匀地沉积在包覆的胰岛表面, 不引起胰岛体积/大小的明显变化。在涂层过程中, 建议将胰岛保持在冰上以保持其生存能力。同样, 在这种情况下, 10 分钟的涂层周期也被优化, 以允许维持胰岛的生存能力。值得注意的是, 为了更好地观察 nanocoating, 检查被涂覆的小岛的横断面的电子显微术, 如前所报告的9,16将是更加适当的, 虽然数据将产生从固定的和嵌入的胰岛而不是在文化中的活胰岛。

对包膜胰岛的存活和功能进行了体外评价。考虑到肝素的有益性质, 肝素在胰岛表面的功能化可以促进胰岛的细胞重建, 从而使其存活。我们观察到, 肝素 PEG 包覆的小鼠胰岛在培养中表现出强健的胰岛生存能力 (图 5)。明显更先进的血管形成也明显从胰岛内皮细胞 (MS1), 与肝素 PEG 包膜胰岛共同培养, 由细长的微血管样结构和网络状血管结构表示 (图6).

nanocoating 过程不影响葡萄糖刺激的胰岛素分泌能力的肝素 PEG 涂层胰岛。所有治疗组均观察到, 当胰岛以生理盐液灌注, 辅以葡萄糖亚刺激水平 (2 毫摩尔/升) 时, 胰岛素分泌水平较低;图 7)。当胰岛以超生理水平的葡萄糖 (20 毫摩尔葡萄糖) 刺激时, 所有治疗组均观察到胰岛素分泌量的增加。

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图 1:胰岛表面工程 nanocoating 的化学结构.胰岛涂层是通过共价交联的肝素-NHS 和主要胺在细胞膜和星 PEG-(NH2)8。每个肝素分子都拥有多个羧基组, 它们被改成有一个 NHS 组。NHS 激活的羧基组将与蛋白质的主要胺反应形成酰胺的联系, 通过该 nanocoating 的 PEG 和胰岛的稳定。请单击此处查看此图的较大版本.

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图 2:星 peg 的红外光谱 (NH2)8, 肝素和肝炎 nanocoating 在干燥状态.请单击此处查看此图的较大版本.

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图 3:扫描电子显微图像的 PEG 在干燥状态.请单击此处查看此图的较大版本.

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图 4:荧光显微镜下肝素 PEG 包膜胰岛的代表性图像.
肝素被预先贴上了家族的标签 (绿色显示)。图像代表100个小岛。刻度条 = 100 µm.请点击这里查看这个数字的大版本.

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图 5:肝素 PEG 涂层胰岛表现出强健的胰岛活力.(A)以 mean±标准误差表示的数据, 每组n = 50 个小岛。(B)活细胞以红色的绿色和死细胞显示。缩放条 = 100 µm. 图象代表50个小岛。请单击此处查看此图的较大版本.

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图 6:肝素 PEG nanocoating 促进胰岛内 revascularisation.胶管形成的 MS1 细胞共培养与肝素 PEG 涂层胰岛和 noncoated 控制胰岛。图像被采取了在4和 24 h. 刻度条 = 100 µm.请点击这里查看这个数字的大版本.

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图 7:肝素 PEG nanocoating 对胰岛胰岛素分泌功能无改变.肝素-PEG 涂层胰岛和 noncoated 控制胰岛 (30) 被暴露到2毫摩尔/升 (白条) 或20毫摩尔/升 (黑条) 葡萄糖30分钟. 胰岛素分泌反应20毫摩尔/升葡萄糖是可比的涂层和控制胰岛。数据显示为平均值, 即标准误差, n = 10。请单击此处查看此图的较大版本.

讨论

在本文中, 我们展示了一种 "易于采用" 的方法, 为活细胞表面工程的肝素结合 starPEG nanocoating 通过伪 bioorthogonal 化学之间的 nanocoating 琥珀组和胰岛表面膜胺组。事实上, 细胞膜内的氨基酸是非常有反应性的, 因此早期的研究报告说, 在生理条件下, 与活化的n-hydroxysuccinimidyl (NHS) 酯的主要氨基组之间的相互作用14 ,16,21。此外, 广泛的研究报告说, 肝素, 一个高度硫酸盐多糖和重要组成部分的细胞外基质, 在胰岛封装, 可导致增强后移植重建和减少 IBMIR22,23。考虑到 peg 的生物相容性和肝素的多价蜂胶性质, 在 nanocoating 制备过程中, 我们使用8臂 peg 进行最大肝素负荷。肝素的改变与-NHS, 随后将与 NH2组在胰岛细胞膜上的反应。通过使 nanocoating 之间的共价键形成-NH2 (细胞膜) 和-NHS 的丙肝, 胰岛将容易 "涂层" 的肝素结合 PEG, 从而形成一个纳米薄层 () 在胰腺的外表面胰 岛。

目前的方法不同于以前发表的方法, 也选择 PEG 作为胰岛微囊化的主要聚合物, 在这种伪 bioorthogonal 化学之间的-NHS (nanocoating) 和-NH2的胰岛细胞膜使用。考虑到胰岛/细胞涂层的稳定性, 特别是在诸如血浆等复杂的环境中, 对于移植后的血管重建和生存至关重要, 而 NHS 和-NH2之间的形成与PEG 与细胞膜间的疏水作用24、静电相互作用9、15、24、25、26或生物素之间的生物学联系链亲和素14。

此外, 与胰岛涂层方法相比, 依赖于 LBL 方法与扩展胰岛处理期的多层沉积14,16,25, 目前的技术也需要最小处理和非常短的涂层期间孤立的胰岛。这两个因素都是移植后胰岛生存的必要条件, 因为在酶消化过程中, 由于破坏了 ECM, 胰岛的存活率往往已经受到破坏。然而, 目前方法的一个局限性是, 与 LBL 不同的是, 通过增加或减少层沉积的数量, 可以控制外层涂层的厚度, 目前尚不能对 nanocoating 的厚度进行定制。

此外, 由于温和的条件, 即 NHS 和-NH2之间的化学反应发生, 目前的方法适用于活细胞表面工程不限于胰岛, 但大多数细胞治疗。此外, 考虑到肝素是已知的与一系列的细胞因子和生物活性分子, 肝炎 nanocoating 也提出了一个开放的平台, 有潜力纳入无限的生物调解人, 以及接口为更加复杂的细胞表面工程学。

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

我们感谢中国国家自然科学基金 (31770968) 和天津应用基金会和先进技术研究项目 (17JCZDJC33400) 的财政支持。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Reagent
PBSHycloneAAJ207798
StreptozototinSigmaS0130
HistopaqueSigma10831
RPMI 1640GIBCO, by Life Technologies31800022
Fetal Bovine SerumGIBCO, by Life Technologies16000-044
Penicillin StreptomycinGIBCO, by Life Technologies15140
Cell Dissociation SolutionGIBCO, by Life Technologies13150-016
DMEMGIBCO, by Life Technologies12800017
D-(+)-Glucose solutionSigmaG8644
488 phalloidinSigmaA12379
CFSESigma21888-25mg-F
Annexin V/PI apoptosis kitDojindoAD10
DAPI Fluoromount-GSouthernBiotech0100-20
Collagenase from Clostridium, Type XISigmaC7657
HeparinSigma-AldrichH3149
NHSSigma-Aldrich56480
EDCSigma-Aldrich3449
8-armed PEGJ&K Scientific Ltd1685176
FAMSigma-AldrichM041100
5(6)-carboxyfluorescein N-succinimidyl esterSigma-Aldrich21888
KBrJ&K Scientific Ltd32036
3-aminopropyl-triethoxysilane Sigma-AldrichA3648
tolueneJ&K Scientific LtdS-15497-20X
Live/dead staining kitBiovision, USK501
BD MatrigelTM, basement membrane matrix, growth factor reducedBD Bioscience354230
Sodium chloride, 99.5%J&K Scientific Ltd105864
Potassium chloride, 99%, extra pureJ&K Scientific Ltd991468
Sodium bicarbonate, 99.7%, ACS reagentJ&K Scientific Ltd988639
Magnesium chloride hexahydrate, 99%, ACS reagentJ&K Scientific Ltd182158
Potassium dihydrogen phosphate, 99%, extra pureJ&K Scientific Ltd128839
Magnesium sulfate heptahydrate, 99%, for analysisJ&K Scientific Ltd119370
Calcium chloride solution volumetric, 1.0 M CaCl2J&K Scientific Ltd21114
Bovine Serum AlbuminSigma-AldrichV900933
Rat/Mouse Insulin ELISA kitMillipore-lincoEZRMI-13K

参考文献

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