可植入人体、用于药物递送、组织工程或传感的生物医学器械，有助于改善许多疾病的治疗。然而，这类器械往往容易受到免疫系统攻击，从而失去作用。
麻省理工学院（MIT）的一组研究人员找到了一种减少这种免疫排斥的方法。在发表于《自然·材料》（Nature Materials）5月18日刊的一项研究中，他们发现，植入式器械的几何形状会显著影响人体对其的耐受程度。
研究人员原本以为较小的器械或许更能躲避免疫系统，但他们发现，较大的球形器械实际上更能维持功能，并避免瘢痕组织堆积。
“植入物的大小和形状对其引发免疫反应的影响之大，令我们感到惊讶。材料构成仍然是这个问题中的重要一环，但事实证明，如果真想尽可能减少瘢痕组织，就需要选对大小和形状。”Daniel Anderson说。他是MIT化学工程系Samuel A. Goldblith副教授、MIT科赫综合癌症研究所及医学工程与科学研究所（IMES）成员，也是该论文的资深作者。
研究人员希望利用这一认识，进一步开发一种可植入器械，模拟胰腺的功能，从而有望为糖尿病患者提供长期治疗。这一方法也可能适用于治疗许多其他疾病的器械。
“我相信，这项研究所获得的认识不仅能帮助科学家继续开发更好的植入物，未来用于治疗糖尿病，也有助于设计用于治疗或诊断疾病的各种人体或动物植入物。”该研究作者Robert Langer说。他是MIT David H. Koch Institute教授，也是科赫研究所、IMES及化学工程系成员。
该论文的第一作者是科赫研究所博士后Omid Veiseh和Joshua Doloff，以及科赫研究所前博士后Minglin Ma；后者现为康奈尔大学助理教授。
植入细胞
这项研究源于研究人员开发人工胰腺的工作，该工作始于数年前。他们的目标是将封装在藻酸盐颗粒（藻酸盐是一种天然存在于藻类中的多糖）或其他材料颗粒中的胰岛细胞递送到体内。这些植入细胞可替代患者的胰岛细胞；在I型糖尿病患者体内，胰岛细胞无法正常工作。
与正常胰岛细胞一样，这些细胞能够感知血糖水平，并分泌适量胰岛素以吸收糖分，从而免去注射胰岛素的需要。然而，如果植入细胞周围形成瘢痕组织，它们就无法发挥作用。
“这些可植入器械的目的，是保护细胞免受免疫系统攻击，同时让它们存活并继续发挥功能。”Anderson说。
研究人员测试了两种尺寸的球体，直径分别为0.5毫米和1.5毫米。在糖尿病小鼠实验中，研究人员将球体植入腹腔，并追踪它们准确响应血糖水平变化的能力。采用较小球体制备的器械完全被瘢痕组织包裹，约一个月后失效；较大的球体则没有遭到排斥，持续发挥功能超过六个月。
在非人灵长类动物实验中，较大的球体也躲避免疫反应。植入皮下的较小球体仅两周后便被瘢痕组织包裹，而较大的球体长达四周仍未被包裹。“我们观察到，在直径较大的球体所有表面上，免疫细胞数量减少了一个数量级以上。”Doloff说。
“我们刚看到这些数据时，觉得有悖直觉。”Anderson说，“有理由认为，这些小珠子会引发较弱的反应，但事实并非如此。”
这种效果不仅出现在藻酸盐球体上，也出现在由不锈钢、玻璃、聚苯乙烯和聚己内酯制成的球体上；聚己内酯是一种聚酯。
“我们意识到，无论材料成分如何，这种效果都依然存在，这让研究令人振奋得多，因为它的普适性更强。”Veiseh说。
“令人印象深刻的是，这是一项非常系统的研究。”未参与这项研究的哈佛大学干细胞与再生生物学系主任Douglas Melton说，“他们以非常系统的方式比较了尺寸、形状和材料，因此研究十分全面。他们得出了一个简洁而有趣的结论：球体直径至少应为1.5毫米。”
尺寸与形状
研究人员认为，这一发现可能适用于其他任何类型的可植入器械，包括药物递送载体以及血糖和胰岛素传感器，这些器械也有助于改善糖尿病治疗。优化颗粒的尺寸和形状，也可能为科学家开发用于治疗糖尿病以外疾病的其他类型可植入细胞提供指导。
“对于人们想要制造的任何这类器械，仔细考虑其尺寸和形状可能都很重要。”Anderson说。
这项研究由青少年糖尿病研究基金会、Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust Foundation、美国国立卫生研究院、美国国家癌症研究所科赫研究所支持基金以及Tayebati Family Foundation资助。Veiseh还获得了美国国防部的支持。
本文由我们与以下机构合作发布： MIT News。本文的发布并不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：Anne Trafton为MIT News撰稿。
图片：在北京大学第三医院展示的脊柱模型，植入了一个3D打印的人工轴。路透社/Jason Lee