Interakce biomateriálů s imunitním systémem

Bc. Jana Bartošíková

Bachelor's thesis

Biomaterials and immune system interactions

Abstract:

Biomateriály jsou nedílnou součástí tkáňového inženýrství a používají se pro různé medicínské aplikace. Pro jejich přijetí a začlenění do organizmu je stěžejní, zda odpověď imunitního systému na biomateriál je polarizována pro zánětlivě nebo pro regeneračně. Tuto polarizaci zprostředkovávají makrofágy spolu s ostatními buňkami imunitního systému. Pokud se po implantaci biomateriálů v místě implantace vyskytuje množství neutrofilů a jiných leukocytů, které produkují pro zánětlivé cytokiny, například IL-1β, IL-6, TNF-α nebo IL-12, a zároveň převažují pro zánětlivé M1 makrofágy, pak dochází k silnému zánětu a následnému zapouzdření biomateriálu vazivovou tkání. V horším případě může dojít i k samotnému odvržení biomateriálu. Při pro-regenerační odpovědi imunitního systému je podstatná polarizace makrofágů do M2 fenotypu a produkce spíše protizánětlivých cytokinů, jako je IL-4, IL-10 a další. Pak je biomateriál zakomponován do okolní tkáně a může komplexně plnit svou funkci. Na polarizaci imunitní odpovědi mají vliv mechanické, fyzikální i chemické vlastnosti biomateriálu, přičemž mezi nejdůležitější z těchto vlastností patří smáčivost a povrchový náboj biomateriálu, jeho tvrdost a povrchová struktura. Mají-li biomateriály vhodné vlastnosti, a nevyvolávají tak silnou zánětlivou odpověď, pak značně urychlují zhojení poškozené tkáně i celkovou rekonvalescenci pacientů.

Abstract:

Biomaterials are an inseparable part of the tissue engineering field and could be used for various medicine applications. The immune response to biomaterials can be polarized either pro-inflammatory or pro-regeneratively, which is crucial for the acceptance and incorporation of biomaterial into the body. The polarization is mediated by macrophages along with other immune cells. If many neutrophils and other leukocytes are found on the site of implantation producing pro-inflammatory cytokines, such as IL-1β, IL-6, TNF-α or IL-12, and in addition the pro-inflammatory M1 macrophages predominate after biomaterial implantation then a strong inflammation and subsequent encapsulation of the biomaterial by connective tissue will occur. In the worst case, the biomaterial could be even rejected. In the case of a pro-regenerative immune response, the polarization process of macrophages into the M2 phenotype is essential and a production of anti-inflammatory cytokines like IL-4, IL-10, etc. The biomaterial is then integrated into the surrounding tissue and it can comprehensively fulfil its function. Mechanical, physical and chemical properties of biomaterial have influence on the polarization of the immune response. The most important aspects are wettability and surface charge of biomaterial, its hardness and surface structure. Biomaterials of adequate qualities do not elicit any strong inflammatory response. That makes them useful in significantly accelerating the healing of damaged tissue hence facilitating the overall recovery process of the patient.

Keywords

biomateriály, imunitní systém, reakce na cizorodé těleso, M1 makrofágy, M2 makrofágy, imunomodulace, biokompatibilita

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 6. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 1. 7. 2020
• Supervisor: Mgr. Jiřina Medalová, Ph.D.
• Reader: MVDr. Mgr. Monika Dušková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Experimental Biology / Special Biology