《Nature BME》宾夕法尼亚大学：仿生透明带！

1 型糖尿病由胰岛 β细胞遭受自身免疫破坏所致，患者通常需要长期补充外源性胰岛素。胰岛移植能够恢复葡萄糖响应性胰岛素分泌，因此被视为重建生理性血糖调控的重要细胞治疗策略。然而，异体胰岛在移植后会受到宿主免疫系统识别与攻击，临床上往往需要全身免疫抑制。免疫抑制相关毒性、感染风险以及对移植物功能的潜在影响，限制了胰岛移植的广泛应用。

细胞包封通过半透性聚合物水凝胶将细胞与宿主免疫环境隔离，同时允许氧气、营养物质、葡萄糖、胰岛素及代谢产物交换，是降低或避免全身免疫抑制需求的重要方向。现有研究通常通过增加水凝胶厚度或扩大胶囊尺寸来提高保护能力。直径约 1.5 mm 的大尺寸胶囊已在多种动物研究中表现出较长的保护时间，但也带来移植体积增大、分子扩散距离延长、氧和营养物质传递受限，以及不同胶囊内细胞数量不均一等问题。

相较之下，直径不超过 0.5 mm 的薄胶囊有利于降低移植负荷并改善物质传递，但其体内免疫保护通常不足，既往报道中细胞在免疫健全动物内的存活时间往往短于 1 个月。因此，细胞包封领域长期存在一项关键矛盾：减小包封尺寸有利于传质，却可能削弱机械稳定性和免疫隔离；增加材料厚度可强化保护，却会牺牲传质效率与移植可操作性。

哺乳动物卵母细胞表面的透明带为这一问题提供了生物学参照。成熟人卵透明带主要由糖蛋白构成，厚度通常约为 10–30 μm。受精触发后，Ca²⁺和相关酶促反应可促使糖蛋白发生切割、组装与交联，使透明带快速硬化，从而阻止多精入卵，并在早期胚胎发育阶段形成保护屏障。该天然结构提示，薄层屏障并不必然意味着低保护性；通过界面定位、原位组装和多重交联，可在较小厚度下形成稳定的功能屏障。

成果简介

基于这一原理，宾夕法尼亚大学Yong Wang等人构建了仿生透明带（biomimetic zona pellucida，BZP）：先利用胆固醇修饰的 DNA 适配体在细胞膜表面固定凝血酶，再由凝血酶催化纤维蛋白原形成纤维蛋白网络，随后引入海藻酸盐、Ca²⁺和聚赖氨酸进行多层次交联与硬化。整个过程在水相和生理条件下完成，不依赖液滴生成设备，也不涉及低 pH、有机溶剂、自由基或高剪切应力。交联与硬化后细胞或细胞团表面可自发形成平均厚度约20 μm 的 BZP 水凝胶层，并实现 100% 包封效率。该策略适用于不同细胞类型、同型或异型细胞球、规则或不规则细胞团以及天然胰岛。

BZP 对小分子保持较好的传递能力，同时限制大分子抗体和免疫细胞接近；包封过程未显著损害细胞活力、代谢、细胞因子分泌、分化潜能及胰岛葡萄糖刺激性胰岛素分泌。免疫健全糖尿病小鼠接受 BZP 包封胰岛后，血糖控制显著改善。采用两性离子修饰超纯海藻酸盐制备的 BZP-U 进一步降低了蛋白吸附和异物反应；在同种异体胰岛移植中，7 只小鼠中有 6 只维持正常血糖约 100 天，其中5 只超过 100 天。

图1｜适配体介导的分子结合、组装与交联表征

1. 适配体介导的酶展示、分子组装与聚合物交联用于 BZP 构建

研究首先比较了三种凝血酶 DNA适配体。三者均可结合凝血酶，但 Apt-1 对凝血酶活性抑制明显，Apt-2 和 Apt-3 分别保留约90% 和 80% 的蛋白水解活性。微粒模型显示，适配体能够在表面展示凝血酶，结合态凝血酶的保留半衰期约为 3 h，并保持较高催化活性。适配体在表面的吸附于 10–15 min 达到平台，随浓度升高而增加，并在 0.5 μM 左右趋于饱和。

在 Ca²⁺和凝血酶存在时，纤维蛋白原被快速切割并组装成具有纤维状网孔的纤维蛋白水凝胶。该多孔网络可吸收海藻酸盐；模拟与成像结果显示，海藻酸盐可在 30 min 内向纤维蛋白内部渗透约 20 μm，并在约 1 h 后使多数区域趋于饱和。随后形成三类交联：DBCO 修饰纤维蛋白原与叠氮修饰海藻酸盐之间的点击化学交联、海藻酸盐羧基与 Ca²⁺之间的离子交联，以及带负电海藻酸盐与带正电聚赖氨酸之间的聚电解质复合。储能模量和损耗模量升高表明，多重交联促进了 BZP 的硬化。所有反应均在水相中完成，未观察到微粒聚集。

图2｜仿生透明带（BZP）的构建与表征

2. BZP 在微粒与细胞表面的均一性评价

共聚焦成像中，通过同一焦平面上0°、45°和 90°三条径向线分析荧光强度，所得分布曲线高度一致；x–y、y–z 和 x–z 投影及 Z-stack 三维重建进一步证实 BZP 主要定位于微粒表面并形成连续、均匀的包覆层。不同尺寸微粒均可形成 BZP，说明其构建不依赖固定模板尺寸。

在活细胞体系中，胆固醇修饰适配体可插入细胞膜，其表面密度随浓度增加并在 0.5 μM 达到平台，平均约为 6.4 × 10⁴ 个 DNA 分子/μm²。研究在 MSC、MCF7同型细胞球，以及 MSC:HUVEC、MDA-MB231:NIH/3T3异型细胞球表面均获得连续包覆；平均厚度约为 20 μm，与成熟人卵透明带的尺度接近。由 2–4 个细胞球融合形成的不规则多聚体以及包含α、β、γ、δ和内皮细胞的天然胰岛同样可被包封。因此，该方法对细胞类型、细胞团组成、尺寸与几何形态具有较强适应性。

图3｜BZP的通透性、细胞球稳定性及细胞生物活性表征

3. BZP 的分子传递、生物相容性与细胞保护体外评价

FITC–dextran 扩散实验显示，BZP 具有分子量依赖的选择性通透性：4 kDa 右旋糖酐可自由扩散，分子量增至 70 kDa 时通透性逐渐下降，250 kDa 时基本不可通透。Transwell 扩散结果与纤维蛋白水凝胶内扩散结果支持这一趋势。针对 MSC 表面 CD73 和 CD90 的抗体在未包封细胞球中可有效结合，而在 BZP 包封后结合显著降低，说明该薄层可限制抗体尺度分子的进入。

在细胞黏附与机械保护实验中，未包封 MSC 细胞球在培养板上培养 72 h 后发生明显黏附和铺展，BZP 包封细胞球则保持原有形态；强烈涡旋处理后，未包封细胞球发生解离，而包封细胞球仍保持完整。由此表明，BZP 不仅具有分子筛分作用，也可提供界面隔离与一定机械保护。

活/死染色、ATP 含量和代谢活性分析均未显示包封导致明显细胞损伤。包封与未包封 MSC 细胞球的细胞因子谱总体接近，VEGF 分泌未受显著影响；向成骨、成软骨和成脂谱系的分化潜能亦保持。免疫细胞共培养中，未包封细胞球在 24 h 内被裂解，而 BZP 包封细胞球基本保持完整。微粒腹腔注射模型中，BZP 包覆还降低了炎症与纤维化相关因子：未包覆微粒诱导的第 1 天 IL-6 水平约升高 6 倍，第 7 天 TGF-β1 水平接近升高 30 倍，而包覆组水平明显较低。

图4｜免疫健全糖尿病小鼠腹腔移植大鼠胰岛后的持续血糖控制评价

4. BZP 包封胰岛的体内移植评价

大鼠胰岛经 BZP 包封后保持较高活力，并维持正常葡萄糖刺激性胰岛素分泌。未包封与包封胰岛的刺激指数分别为 4.6 ± 1.1 和 4.3 ± 0.8，差异无统计学意义；相应 delta 值分别为 38.0 ± 11.5 和 27.9 ± 4.2 pmol/100 IEQ，亦无显著差异。包封胰岛对促炎细胞因子诱导凋亡的敏感性降低。

将 BZP 包封大鼠胰岛移植至免疫健全糖尿病 BALB/c 小鼠腹腔后，移植组在术后第 20 天和第 60 天表现出更快的葡萄糖清除，并检测到来源于移植物的血清大鼠 C 肽。未包封组平均血糖在第 9 天升至 316 mg/dl，随后持续高于 200 mg/dl；BZP 组在第 6天降至 200 mg/dl 以下，60 天血糖曲线下面积不足未包封组的一半。BZP 组 80% 小鼠维持正常血糖至第 66 天，个体维持时间分别达到第 27、66、84、87 天及超过 100 天；未包封组未能恢复正常血糖。

研究进一步以两性离子修饰超纯海藻酸盐制备 BZP-U，并与普通海藻酸盐 BZP-R 比较。相较于 BZP-R，BZP-U 对 BSA 和溶菌酶的吸附分别降低约 3 倍和 8 倍，移植后第 7 天 TGF-β1 和 IL-10 表达约降低 4 倍。在CD-1 小鼠胰岛向免疫健全糖尿病小鼠进行同种异体移植时，BZP-U 组具有更快的葡萄糖清除；BZP-R 组 5 只小鼠中有 4 只在第 48–72 天陆续出现高血糖，而 BZP-U 组仅 1/7 在第 63 天前后出现高血糖，其余 6/7 维持正常血糖约 100 天，其中 5/7 超过 100天。

作为对照，传统海藻酸盐微胶囊可使部分动物恢复正常血糖，但 4 只恢复正常血糖的小鼠中有 2 只在第 42 天后再次出现高血糖；纳米涂层胰岛与裸胰岛相似，在 30 天观察期内均未使多数免疫健全糖尿病小鼠恢复正常血糖。体外比较显示，BZP 和纳米涂层的扩散阻力小于海藻酸盐微胶囊，而 BZP 与海藻酸盐微胶囊对免疫细胞攻击的保护强于纳米涂层。上述结果表明，BZP 在薄层传质与免疫保护之间形成了较有利的平衡。需要注意的是，作者明确指出各包封方法尚未在统一条件下充分优化，因此该比较应被视为概念验证，而非对所有技术平台的最终优劣判定。

图5｜免疫健全糖尿病小鼠肾被膜下移植同种异体胰岛后的持续血糖控制评价

小结

本研究以透明带的形成与硬化机制为设计依据，通过细胞膜界面上的适配体定位、酶促组装和多重交联，构建出平均厚度约 20 μm 的仿生水凝胶屏障。该体系不依赖液滴生成设备，在温和水相条件下完成，并兼具较低扩散阻力、分子筛分、机械保护和免疫隔离能力。对适配体密度、凝血酶活性、层厚均一性、分子通透性、细胞功能以及动物血糖控制的系统评价，为“薄层包封实现长期保护”提供了较完整的证据链。

从转化角度看，BZP 的优势在于包封效率高、包封体积小、对复杂细胞团形态适应性强，并可通过材料化学修饰降低非特异性蛋白吸附与异物反应。但现阶段证据主要来自小鼠模型，仍需进一步评估长期材料稳定性、不同移植部位的表现、规模化与标准化制备、批间一致性，以及在大动物和人源胰岛中的安全性与有效性。普通海藻酸盐可诱导异物反应的结果也表明，材料纯度和表面化学是后续优化的关键变量。总体而言，该工作提出了一条区别于“大胶囊强化保护”的技术路径，为胰岛移植及其他需要免疫隔离的细胞治疗提供了可进一步验证的薄层界面工程策略。

参考文献

Lee K, Wang X, Wen C, et al. Biomimetic zona pellucida-encapsulated islets for sustained glycaemic control in immunocompetent mice. Nature Biomedical Engineering.

https://doi.org/10.1038/s41551-026-01775-8.