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硅胶乳房假体的表面如何影响免疫系统

在美国,每年约有 400,000 人接受硅胶乳房植入物。根据美国食品和药物管理局的数据,由于疤痕组织的堆积和其他并发症,大多数植入物需要在 10 年内更换。

一个由麻省理工学院研究人员领导的团队现在系统地分析了这些植入物中发现的不同表面结构如何影响不良反应的发展,在极少数情况下可能包括一种不寻常的淋巴瘤。

“植入物的表面形貌会极大地影响免疫反应对它的感知,这对[植入物的]设计有重要影响,”前麻省理工学院博士后 Omid Veiseh 说。“我们希望这篇论文为整形外科医生评估和更好地了解植入物选择如何影响患者体验提供了基础。”

研究人员说,这些发现还可以帮助科学家在未来设计出更多生物相容性的植入物。

“我们很高兴能够采用新的材料科学方法来更好地了解乳房植入物领域的生物相容性问题。我们还希望我们进行的研究将广泛用于了解如何设计更安全、更有效的乳房植入物。任何类型,”麻省理工学院大卫·H·科赫研究所教授、该研究的资深作者罗伯特·兰格说。

现在是莱斯大学助理教授的 Veiseh 和前麻省理工学院博士后、现任约翰霍普金斯大学助理教授的 Joshua Doloff 是该论文的主要作者,该论文今天发表在Nature Biomedical Engineering 上。该研究团队还包括来自莱斯大学、约翰霍普金斯大学、建立实验室和 MD 安德森癌症中心等机构的科学家。

表面分析

硅胶乳房假体自 1960 年代开始使用,最早的版本具有光滑的表面。然而,使用这些植入物时,患者经常会出现称为包膜挛缩的并发症,其中植入物周围会形成疤痕组织并挤压它,造成疼痛或不适以及植入物的明显变形。这些植入物也可能在植入后翻转,需要通过手术调整或移除。

在 1980 年代后期,一些公司开始制造表面更粗糙的植入物,希望能降低包膜挛缩率并使它们更好地“粘”在组织上并保持原位。为此,他们创建了一个表面,其峰值延伸到表面上方数百微米。

然而,在 2019 年,由于存在与乳房植入物相关的间大细胞淋巴瘤(一种免疫系统癌症)的风险,FDA 要求乳房植入物制造商召回所有在美国上市的高纹理乳房植入物(约 80 微米)。

可追溯到十年前的新一代乳房植入物,具有独特的专利表面结构,不仅包括轻微的表面粗糙度,平均约为 4 微米,还包括其他特定的表面特征,包括偏度和数量,针对细胞尺寸优化的接触点的分布和大小旨在防止这些并发症。

2015 年,Doloff、Veiseh 和建立实验室的研究人员联手探索这种独特的表面以及其他常用表面如何与周围组织和免疫系统相互作用。他们首先测试了五种具有不同形貌(包括粗糙度)的市售植入物。其中包括先前召回的高度纹理的一种,一种完全光滑的,以及三种介于两者之间。这些植入物中的两种具有上述新颖的表面结构,一种具有 4 微米的粗糙度,一种具有 15 微米的粗糙度,由建立实验室制造。

在对兔子的一项研究中,研究人员发现,暴露于最粗糙的植入物表面的组织显示出巨噬细胞(通常清除外来细胞和碎片的免疫细胞)活动增加的迹象。

所有植入物都以不同的方式刺激了称为 T 细胞的免疫细胞。具有较粗糙表面的植入物刺激了更多促炎性 T 细胞反应,而具有独特表面形貌(包括 4 微米平均粗糙度)的植入物刺激了似乎抑制组织炎症的 T 细胞。

研究人员的发现表明,较粗糙的植入物会摩擦周围的组织并引起更多刺激。这可能解释了为什么较粗糙的植入物会导致淋巴瘤:假设是一些质地脱落并被困在附近的组织中,在那里引发慢性炎症,最终可能导致癌症。

研究人员还在老鼠身上测试了这些植入物的微型版本。他们使用与制造人类尺寸版本相同的技术制造这些植入物,并表明质地更丰富的植入物会引起更多的巨噬细胞活性、更多的疤痕组织形成和更高水平的炎性 T 细胞。研究人员还对来自这些组织的免疫细胞进行了单细胞 RNA 测序,以确认这些细胞表达了促炎基因。

“虽然完全光滑的表面植入物也具有更高水平的巨噬细胞反应和纤维化,但在小鼠中很明显,单个细胞受到的压力更大,并且在响应最高表面粗糙度时表达更多的促炎表型,”多洛夫说。

另一方面,具有独特表面结构的植入物,包括表面粗糙度的优化程度或“甜蜜点”,平均约为 4 微米,以及其他特定特征,与相比之下,似乎显着减少了疤痕和炎症的数量。具有更高粗糙度的植入物或完全光滑的表面。

“我们认为这是由于身体单个细胞尺度上存在的这种表面结构,使细胞能够以不同的方式感知它们,”多洛夫说。

迈向更安全的植入物

在进行动物研究后,研究人员分析了来自 MD Anderson 的大量癌症组织样本的样本,以研究人类患者对不同类型的硅胶乳房植入物的反应。

在这些样本中,研究人员发现了他们在动物研究中看到的相同类型免疫反应的证据。在他们的发现中,他们观察到多年来一直作为高纹理植入物宿主的组织样本显示出慢性、长期免疫反应的迹象。他们还发现,植入物质地更丰富的患者的疤痕组织更厚。

“在小鼠、兔子和人类 [组织样本] 中进行全面比较确实提供了更强大和更大量的证据来说明它们如何相互比较,”Viseh 说。

作者希望他们的数据集能够帮助其他研究人员优化硅胶乳房植入物和其他类型的医用硅胶植入物的设计,以提高安全性。

“这项研究证实了基于科学的设计可以为患者提供更安全的乳房植入物的重要性,”该论文的作者、Establishment Labs 的研发负责人 Roberto de Mezerville 说。“通过首次证明最佳的表面结构可以最大限度地减少炎症和异物反应,这项工作对整个医疗器械行业做出了重大贡献。”

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