一种治疗脑部疾病的干细胞制剂海绵贴片复合体、其制备方法及应用与流程

本发明属于生物医药及组织工程研究领域，具体涉及一种治疗脑部疾病的干细胞制剂海绵贴片复合体的制备方法及应用。

背景技术：

脑部疾病，是指因遗传、先天性脑发育不全、脑外伤、脑肿瘤、脑出血、脑梗阻、感染、化学药物中毒等引起的脑神经组织损伤，涵盖组织结构和生理功能异常的脑器质性损害。根据疾病诱因，脑部疾病分为三大类：①遗传、先天发育不良造成的小儿脑瘫、智力低下等；②外伤造成的急性脑损伤后遗症、脑血管病造成的脑中风后遗症等；③因中枢神经损伤进而造成脑神经细胞衰老退化造成的慢性退行性疾病，包括老年痴呆症、脑萎缩、帕金森病等。我国每年脑部疾病新发病约1000万例，其中致死致残率约占75％，国家和患者家庭脑病治疗医疗费用达上百亿元，已经成为危害国民健康的重大疾病之一。

脑部疾病归根到底是神经组织受损。神经细胞作为神经系统的基本结构和功能单位，由于其高度分化性，一旦受损，轻者需要极其缓慢的修复过程，重者则造成不可逆性损害。面临神经组织损伤修复这一世界性难题，干细胞治疗提供了一种新途径。干细胞治疗是指分离纯化自体、同种异体或异种干细胞，经体外培养扩增后，将其移植到患者体内，以修复或替换受损细胞或组织，从而达到治愈疾病或修复损伤的目的。研究发现哺乳动物包括人类的神经中枢某区域终生具有神经元再生潜能，该区域的内源性神经干细胞(neuralstemcells,nscs)在脑损伤早期能增殖向损伤区迁移，并可在体内和体外分化为神经元或胶质细胞，分泌多种神经营养因子，参与神经功能修复。而如何高效快速地将干细胞移植入脑成为了当前研究的热点问题。迄今干细胞的颅内移植途径有以下几种：侧脑室注射，由于该方法主要是将细胞植入到特定的侧脑室病变部位，不适合广泛脑损伤；经动脉移植，安全性较低；经静脉移植，细胞到达治疗区域的效率较低；经腰椎穿刺移植，伴随并发症的发生。

干细胞通过鼻内途径植入颅内，已成为一种新兴的移植手段，受到越来越多的关注。干细胞经鼻内途径移植的优势包括：①非侵害性；②鼻腔在解剖学上与脑部存在独特的直接通道，鼻腔给药后，药物经鼻吸收后可绕过血脑屏障进入中枢神经系统，即脑脊液或脑组织而发挥治疗作用；③鼻腔黏膜具有丰富的血管和淋巴管，吸收面积大，具有进入颅内的便利条件。但鼻内移植途径也存在一些问题，鼻黏膜具有黏膜纤毛清除系统，使得现有鼻腔给药的剂型，包括滴鼻剂、凝胶剂的药液在鼻腔分布不均匀，易从鼻腔流失，进而限制干细胞制剂的吸收和药效的发挥。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明设计一种治疗脑部疾病的干细胞制剂海绵贴片复合体。该复合体由干细胞制剂及明胶海绵贴片复合而成。该复合形式是嵌入式松散结合，从而实现干细胞可由材料负载和携带，但在外力作用下又可自由释放；非常适合于无创性、个性化的鼻腔给药。期望改善现有通过鼻腔给药治疗脑部疾病的现状。一种治疗脑部疾病的干细胞制剂海绵贴片复合体，其特征在于：该复合体为浸润干细胞悬液的可降解海绵体，所述干细胞以单细胞悬浮状态填充在所述海绵体材料的网络结构孔洞中。

所述可降解海绵体的材质选自明胶、胶原、淀粉、壳聚糖、丝素、聚乳酸-羟基乙酸类聚合物，以及上述材质的复合物(如胶原+壳聚糖)，在本发明的实施例中，具体选用了可降解明胶海绵。

所述干细胞制剂海绵贴片复合体，因具备一定的刚性支撑，可在器械的夹取下，直接送达细胞治疗的最佳生理位点(例如，采用前鼻镜将所述干细胞制剂海绵贴片复合体置于鼻中的嗅裂位置)，且该过程无创，能有效减少患者痛苦。

所述干细胞制剂海绵贴片复合体，在具备刚性的同时还具备形变能力，可在被送达治疗位点后，卡在该位点，从而有效解决现阶段鼻内移植途径中，由于鼻黏膜的黏膜纤毛清除作用，现有鼻腔给药的剂型，包括滴鼻剂、凝胶剂的药液在鼻腔分布不均匀，易从鼻腔流失的问题；这种细胞制剂的原位释放，能更好地促进干细胞制剂的吸收和药效的发挥。所述干细胞制剂海绵贴片复合体，其细胞和海绵是松散结合的，其结合可实现细胞制剂在海绵材料的携带下到达治疗位点，其松散结合可实现外力作用下细胞制剂的释放，这是其它类型的载体无法实现的，如滴鼻剂、凝胶剂。

所述干细胞制剂海绵贴片复合体，其中的海绵材料仅起到负载干细胞并携带其达到治疗位点的作用，而后海绵发生生物降解，有效避免异物残留。

所述干细胞制剂海绵贴片复合体，均为生物友好性因素，避免免疫排斥和致瘤性，具有生物相容性和临床安全性。在实际应用过程中，所述明胶海绵材料的形状亦可根据需送达的生理空间进行剪裁，使该复合体更适合于临床的个性化治疗需求，有效配合成人、儿童等不同患者的治疗策略。

对于上述技术方案中所述的干细胞制剂海绵贴片复合体，其在针对不同的脑部疾病的治疗过程中，对应可选的干细胞制剂种类有很多，诸如神经干细胞、胚胎干细胞、间充质干细胞；在本发明实施例中的干细胞具体优选了神经干细胞，一方面其可悬浮培养，实现以单细胞悬液形式负载于海绵体材料；另一方面，其神经向分化潜能及神经营养因子分泌作用可直接促进神经功能修复。

所述神经干细胞悬浮培养，其使用的培养基应选择有利于细胞实现单细胞悬浮培养的种类，以避免细胞贴附于海绵体生长，导致无法有效作用于治疗位点；在本发明实施例中具体选用的培养基种类为神经干细胞完全培养基；在悬浮培养的过程中，随着神经干细胞的生长，会自发聚集生长成为形态均匀的球形克隆；当需要将球形克隆至散细胞(单细胞悬液)时，可以采用将其收集，自沉淀，弃上清，加消化液并机械吹散的方式获得；本领域技术人员也可以根据实验条件选取其他方式获得单细胞悬液。

对于上述技术方案中所述的干细胞制剂海绵贴片复合体，所述干细胞悬液的细胞密度为1×10⁷～4×10⁵。由于高接种密度下，细胞易聚集在海绵体材料的某一层面，进而阻碍细胞的均匀进入；随着细胞接种密度的减小，细胞在材料中的分布越来越均匀；高接种密度下，死细胞增多；细胞密度过小，会降低干细胞的实际有效浓度。综合考虑，优选的情况下，所述干细胞悬液的细胞密度为1×10⁶～4×10⁶。该接种密度下，能够实现细胞在材料内的均匀分布和良好生存状态。最为优选的情况下，所述干细胞悬液的细胞密度为2×10⁶，实际应用过程中，本领域技术人员确定细胞密度时，其也可根据实际临床需求、动物模型实验进行调节。

对于上述技术方案中所述的干细胞制剂海绵贴片复合体，所述可降解海绵体的孔隙率为85％以上。贴片材料孔隙率为97.16％±1.17％。贴片材料吸水率为98.48％±0.01％。

本发明的另一方面在于，公开了一种上述干细胞制剂海绵贴片复合体的制备方法，具体步骤为：取预制好的神经干细胞单细胞悬液，稀释该悬液至细胞密度为1×10⁷～4×10⁵，用其充分浸润可降解海绵体至其吸收饱和。

对于上述技术方案中所述的制备方法，优选的情况下：在所述的充分浸润可降解海绵体步骤之前，还包括用培养基预浸可降解海绵体的步骤。采用培养基浸润可降解海绵体后，为了达到更加充分的浸润效果，一般情况下，还需要在贴近细胞培养环境中孵育，例如在37℃条件下孵育1小时。

本发明的另一方面在于，公开了一种上述干细胞制剂海绵贴片复合体在制备治疗脑部疾病的药物中的应用。例如，利用本发明所述的干细胞制剂海绵贴片复合体制备成治疗脑部疾病的各类缓释药物等。本发明的有益效果：

1)本发明的干细胞制剂海绵贴片复合体，由干细胞制剂及海绵贴片构成；其中，干细胞制剂的细胞密度可根据实际需求进行调节，海绵贴片的形状亦可根据需送达的生理空间进行剪裁；使该复合体更适合于临床的个性化治疗需求，有效配合成人、儿童等不同患者的治疗策略。

2)本发明的干细胞制剂海绵贴片复合体，因具备一定的刚性支撑，可在器械的夹取下，直接送达细胞治疗的最佳生理位点，且该过程无创，能有效减少患者痛苦。

3)本发明的干细胞制剂海绵贴片复合体，在具备刚性的同时还具备形变能力，可在被送达治疗位点后，定位卡在该位点，从而有效解决现阶段鼻内移植途径中，由于鼻黏膜的黏膜纤毛清除作用，现有鼻腔给药的剂型，包括滴鼻剂、凝胶剂的药液在鼻腔分布不均匀，易从鼻腔流失的问题；这种细胞制剂的原位释放，能更好地促进干细胞制剂的吸收和药效的发挥。

4)本发明的干细胞制剂海绵贴片复合体，其细胞和海绵是松散结合的，其结合可实现细胞制剂在海绵材料的携带下到达治疗位点，其松散的结合可实现外力作用下细胞制剂的释放，这是其它类型的载体无法实现的。

5)本发明的干细胞制剂海绵贴片复合体，通过利用材料浸提液检测材料的生物相容性、观测材料与细胞的相互作用、考察贴片材料的体外降解，对该复合体进行表征和评价。结果显示：浸提液对细胞的增殖能力没有影响；在21天细胞培养条件下，材料全部降解。由此证明该复合体体系均为生物友好性因素，避免免疫排斥和致瘤性，具有更高的生物相容性和安全性。

附图说明

图1同一批次不同代数神经干细胞培养形态图；

图2神经干细胞特征蛋白nestin、sox2流式细胞仪检测结果图；

图3不同代数的神经干细胞生长曲线图；

图4神经干细胞特征蛋白nestin、sox2免疫荧光检测结果图；

图5贴片材料的裁剪与均一化处理图；

图6神经干细胞接种密度2×10⁶个/ml、培养4天的海绵贴片复合体样品3d展示图—侧面角度展示；

图7神经干细胞接种密度2×10⁶个/ml、培养4天的海绵贴片复合体样品3d展示图—倾斜面角度展示；

图8不同浓度材料浸提液(对照，25％，50％，100％)用于神经干细胞培养生长曲线图；

图9材料与细胞相互作用观测图(培养第4天)；

图10细胞作用下海绵材料的降解曲线图。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明加以详细说明，借以阐述本发明中干细胞制剂海绵贴片复合体的制备原理和制备方法，但并不因此而限制本发明。

实施例1

干细胞制剂海绵贴片复合体的制备和考察。

1神经干细胞制剂的制备及性能考察

1.1神经干细胞组织来源采集与运输

1)组织来源为8-14孕周的流产胎儿(医疗废弃物)，并签署《供者组织样本采集与保存》知情同意书。

2)采集相关医护人员根据组织大小选择容器，将其放入无菌管中，封口膜封闭管口，并将管身外表酒精擦拭消毒后，放入运输盒中。

3)运输过程应保持车辆平稳，避免箱体受到撞击。运输车辆内应清洁，控制车内温度在20℃以下、运输盒中温度在4℃左右。

1.2神经干细胞原代制备

1)将完整的胎儿置于100mm无菌培养皿中，用pbs缓冲液反复冲洗。

2)剥离头部皮肤和骨骼，打开颅腔、暴露脑组织，用精细手术镊撕去脑组织周围血管膜。

3)夹断脑皮层的边缘、分离脑皮层，放入35mm无菌培养皿的神经干细胞完全培养基溶液中，将脑皮层分割成约1mm大小的组织块。

4)将取材得到的胎儿脑皮层和神经干细胞完全培养基溶液用滴管转移进入一个1ml离心管，用移液器缓慢吹吸30次，静置10分钟，使未吹散的组织块沉淀到管底，吸取上清。

5)820rpm/min离心，吸弃上清，加入1-2ml无菌消化液吹吸均匀，置入35mm培养皿中。

6)将培养皿放入37℃、5％co2培养箱消化，1-2分钟，加入等体积神经干细胞完全培养基溶液，终止消化，820rpm/min、20℃离心5分钟。

7)用滴管吸去上清至细胞沉淀线上方，用移液管加入5ml神经干细胞完全培养基溶液，上下吹打3次，使细胞重悬，820rpm/min、20℃离心5分钟。

8)用滴管吸弃上清至细胞沉淀线上方，用1ml枪头吸取1000μl神经干细胞完全培养基溶液加入离心管，轻柔吹吸10-15次，形成单细胞悬液并进行细胞计数。

9)将计算后的神经干细胞培养基加至细胞，吹打成单细胞悬液，接种密度2-5×10⁵/ml，加入细胞培养瓶中。于培养瓶左上方标记细胞批号、代数和细胞量，右下方标记操作人姓名及操作日期。

10)接种后，倒置显微镜检观察，确定细胞在每个培养容器中均匀分布，如果细胞分布不均匀，则重新晃动容器。记录细胞状态。

11)将接种并镜检后的细胞培养容器迅速放入二氧化碳培养箱中，培养温度为37℃、co2浓度为5％。

1.3神经干细胞传代

1)将待传代的神经球悬液用移液管转移进入50ml离心管中，用适量pbs缓冲液冲洗培养容器，并将冲洗液移入50ml离心管中，静置10分钟；收集沉淀细胞球。

2)将1ml消化液加入细胞中，将离心管放入37℃、5％co2培养箱，消化1-2min，加入4ml神经干细胞完全培养基溶液，中和，820rpm/min、20℃离心5分钟，将上清吸入无菌容器中做好标记，存放于-80度冰箱中(条件培养基)。

3)用移液管吸去上清约至刻度线200μl处，轻弹细胞沉淀，加入5ml神经干细胞完全培养基溶液，820rpm/min、20℃离心5分钟。

4)以适宜密度重新接种，并将细胞放入37℃、5％co2培养箱中继续培养。

1.4放行检测

1)收集干细胞制剂细胞悬液20-30ml，以无菌操作注入需氧菌血培养瓶、厌氧菌血培养瓶及真菌血培养瓶，充分混合后，封口膜封口，标记细胞批次，操作者姓名，操作时间，立即送检。

2)取三支检验专用无菌管，用注射器以无菌操作方式每支注入2-3ml细胞培养基，封口膜封口，标记细胞批次，操作者姓名，操作时间，送至检验科。用于检测支原体、衣原体及病原微生物相关检测。

3)无菌操作取2-3ml培养基加入至内毒素检测专用管，用于检测内毒素，封口膜封口，标记细胞批次，操作者姓名，操作时间，立即送检。

4)检测报告均显示阴性方可进行入库及放行操作。

1.5神经干细胞包装

1)细胞收集：吸取培养瓶内全部样本于50ml离心管中，820rpm/min、20℃离心5分钟。

2)单细胞悬液制备：用移液管吸去上清约至刻度线200μl处，加入2ml神经干细胞完全培养基溶液，用1ml移液器枪头反复吹吸细胞沉淀30次，物理吹散至单细胞悬液，820rpm/min、20℃离心5分钟。

3)细胞计数：吸弃上清，加入1mlpbs缓冲液，轻弹管底使细胞分散混匀，用移液枪轻轻吹打3-5次混匀，取10μl单细胞悬液进行计数。

4)细胞密度调整：按照计数结果，加入适量的pbs缓冲液将细胞悬液的浓度调整至目的浓度。

5)细胞过筛：准备另一支无菌50ml离心管，取出细胞筛，用镊子夹住边缘置于离心管口，吸取调好密度的细胞悬液使通过细胞筛，收集至准备好的离心管中。

6)细胞分装与取样：取准备好的2ml冻存管，加入细胞悬液，拧好管盖，封口膜封口。同时分别取0.5ml细胞悬液置于1个2ml冻存管中，做好标记，封口膜封口，-80°冻存用于留样备检。

7)细胞制剂贴标准备：将准备好的细胞制剂贴好标签，放入4℃冰箱暂存，待用。

1.6神经干细胞鉴别

1)细胞形态检测：神经干细胞单个细胞呈球形，以单细胞接种方式，在培养条件下，随着细胞的生长会自发聚集生长成为形态均匀的球形克隆。同一批次不同代数神经干细胞培养形态如图1所示。

2)细胞标志物流式检测：取细胞1×10⁶个进行检测，细胞表达神经干细胞特征蛋白nestin、sox2。流式检测结果如图2所示，nestin+/sox2+细胞比率大于90％。

3)细胞增殖能力：在96孔板中加入100μl的不同培养批次不同代数的神经干细胞悬液，细胞浓度为1000个/孔。将培养板在培养箱孵育2-14天，向每孔加入10μlcck-8溶液，将培养板在培养箱内孵育2h，利用酶标仪在450nm处检测吸光值。利用数值制作出一条以培养时间为横坐标(x轴)，od值为纵坐标(y轴)的曲线。根据此曲线可以计算出细胞的倍增时间以反映细胞的增殖能力(图3)。

4)细胞标志物免疫荧光检测：取人源神经干细胞悬液，收集细胞，pbs冲洗3次，多聚甲醛固定。采用神经干细胞特异性标记物nestin与sox2进行染色，如图4所示。

1.7细胞接种

1)根据所用的细胞培养容器的类型加入相应体积的神经干细胞培养基。低吸附6孔板中每孔加入2ml，t25细胞培养方瓶中加入5ml/瓶，t75细胞培养方瓶中加入15ml/瓶，t175细胞培养瓶中加入50ml/瓶。

2)将计数后的细胞悬液加入到培养容器中，并用适量培养基冲洗原细胞悬液的容器，一并移入，加入一定体积细胞培养基。手动摇匀细胞悬液。用合适量程的移液枪在液面下再吹打，于培养瓶左上方标记细胞批号和细胞量，右下方标记操作人姓名及操作日期。

3)通过倒置显微镜下观察，确定细胞在每个培养容器中大致分布均匀，如果细胞分布不均匀，则重新晃动容器。每两天影像记录细胞状态和并记录培养基情况。此镜检过程应该在5分钟内完成。

4)将接种并镜检后的细胞培养容器迅速放入37℃、5％co2培养箱。在移动中注意保持容器的水平。如为孔板，要保持孔板在移动过程中一直盖好。如容器为培养瓶，则放入二氧化碳培养箱时瓶口应向左或向右，而不是向外。容器不要紧靠门放置，而应稍向里，减少开关门时污染的风险。

2海绵贴片材料的准备与性能考察

2.1贴片材料的裁剪与均一化处理

在超净台中，取医用可降解明胶海绵，采用8mm圆形打孔器，对该材料进行剪裁；剪裁后的材料为直径8mm、厚度5mm的圆柱体(图5)，无需称重即可保证每份海绵样品之间的质量差异在0.0004g之内，且无需二次灭菌。

2.2贴片材料孔隙率测定

取无水乙醇置于量筒，体积记为v1；将贴片材料没入，完全浸透，体积记为v2；拿出贴片材料，余下体积记v3；贴片材料孔隙率计算公式为δ＝(v1-v3)/(v2-v3)×100％；以上测定取3个样品，计算平均值与标准偏差：贴片材料孔隙率为97.16％±1.17％。

2.3贴片材料吸水率测定

称重法测定贴片材料吸水率，材料干重记为w1，材料没入超纯水24h，完全浸透，取出贴片材料，去除其表面水分后称重记为w2；计算公式：θ＝[(w2-w1)/w2]×100％；以上测定取3个样品，计算平均值与标准偏差：贴片材料吸水率为98.48％±0.01％。

3干细胞制剂海绵贴片复合体的制备及性能考察

3.1材料负载细胞方式的确定：取剪裁后直径8mm、厚度5mm的圆柱体明胶海绵，置入24孔培养板内，用培养基预浸；取预制好的神经干细胞单细胞悬液每孔接种250μl，孵育1小时后应用，以下细胞于材料上的接种均采用该方式。

3.2材料负载细胞能力的测定：细胞接种于材料，1-4组细胞密度依次设定于5×10⁷、1×10⁷、2×10⁶、4×10⁵个/ml；取出海绵，加入盐水收集在细胞接种过程中未附着在海绵上的细胞；计数剩余液体体积及细胞浓度，计算剩余细胞数量；按照吸附率＝吸附细胞数/原细胞数，计算出1-4组细胞吸附率分别为：97.4％、98.5％、96.5％、93.2％。

3.3通过细胞在材料内的分布及活性进行细胞接种密度的优化：为实现细胞在材料内的均匀分布和良好生存状态，对不同接种密度下细胞的分布和活性进行了考察。选取神经干细胞培养4天的海绵贴片复合体样品，1-4组细胞接种密度依次为5×10⁷、1×10⁷、2×10⁶、4×10⁵个/ml；弃去原培养基，pbs缓冲液浸洗2次，加入live/dead染液(calcein-am/pi)没过材料，置于37℃、5％co2培养箱半小时，共聚焦显微镜下观察拍照；记录细胞的分布及存活情况，其中荧光代表细胞的死活染色(图6、图7)。结果发现：高接种密度下，细胞易聚集在材料的某一层面，进而阻碍细胞的均匀进入；随着细胞接种密度的减小，细胞在材料中的分布越来越均匀；高接种密度下，死细胞增多；细胞密度过小，会降低干细胞的实际有效浓度。综合考虑，优选的细胞接种密度确定为2×10⁶个/ml。

3.4利用材料浸提液检测材料的生物相容性：取剪裁后直径8mm、厚度5mm的圆柱体明胶海绵，放入培养瓶，加入神经干细胞培养基，置于37℃培养箱24h，制成明胶海绵浸提液；制备含材料浸提液浓度分别为100％、50％、25％和0％的培养基，4℃冷藏，备用；以2×10⁶个/ml密度将细胞接种到96孔板，分别加入以上四种浓度材料浸提液，置于37℃、5％co2培养箱培养，实验组设定2天、4天、6天、8天、10天、12天、14天组；在设定时间点，先弃去原培养基再加入100μl相应培养基和10μlcck-8溶液，放到培养箱孵育2h后，于酶标仪测定吸光度。由cck-8检测得到的生长曲线图8结果显示：不同组别的浸提液对细胞的增殖能力没有影响(无统计学差异)。

3.5材料与细胞相互作用的观测：选取神经干细胞培养4天的海绵贴片复合体样品，接种密度为2×10⁶个/ml；进行共聚焦拍照分析；通过细胞与材料的叠加图进行评价，其中荧光代表细胞的死活染色，明场部分显示的是材料的网络结构。结果如图9显示，细胞与材料的结合为嵌合式松散结合，未依附于海绵的网络结构生长；即，细胞悬液是填充在材料网络结构的孔洞中。

3.6贴片材料体外降解的考察：取海绵样品21份，接种2×10⁶个/ml密度的神经干细胞，连续培养；于0小时、6小时、1天、3天、7天、14天、21天，每个时间点，各取3个样品；超纯水洗涤三次后，40度干燥或滤纸处理，称重；通过计算剩余重量来确定生物材料降解程度，如图10：明胶海绵材料在细胞作用下，6小时时，质量较原始质量发生很大提高，归因于明胶材料的溶胀；后续质量下降，在21天，样本呈凝胶状，洗涤后全部溶解，实现完全降解。