新的设备将使移植后的胰岛细胞存活更久改善糖尿病的治疗方法

自上世纪六十年代开始，研究者们一直对能否使用胰岛细胞移植方法治疗 I 型糖尿病的课题饶有兴趣——胰岛细胞的功能是在血糖浓度增高时分泌胰岛素。

图丨胰岛与氧分子

然而事实证明，这种方法实施起来具有挑战性。其中的一个障碍是：移植后，如果胰岛细胞不能吸收足量的氧气，它们将很快死亡。如今，来自 MIT 的研究者们与 Beta-O2 科技公司合作，研发并测试了一种为专门胰岛细胞提供氧气的可植入设备，其中供氧小室每 24 小时重新装满一次氧气。

“让氧气到达这些细胞真是一个难题，”本研究高级作者、MIT 化学工程学教授 Clark Colton 说道。“这种方法的优点在于：不再需要移植大量组织来保持胰岛细胞存活并行使功能，并且能减少激发免疫应答的发生率。”

图丨MIT 化学工程学教授 Clark Colton

在大鼠身上的移植实验发现，90% 的胰岛细胞在数月后依然具有功能，并且大部分实验大鼠在此期间保持了正常高的血糖水平。

本研究于 4 月 25 日发表在《科学报道》（Scientific Reports）杂志。来自 Beta-O2 科技公司的 Yoav Evron 是本研究的首席作者。此研究由以色列科学部提供部分资金支持。

保护胰岛细胞

当自身的免疫系统破坏胰岛细胞，患者将患 I 型糖尿病，其自身无法再分泌对细胞从血流中吸收血糖绝对必要的胰岛素。早期将尸体的胰岛细胞移植到患者体内的方法并未成功，在移植后胰岛细胞无法长期存活。

胰岛细胞移植无法成功的其中一个原因是移植后被患者免疫系统攻击。为了保护新植入的细胞，有科学家们研发出了在移植时包裹胰岛细胞的材料（如某种多聚物）。然而，胰岛细胞在移植后无法获得充足氧气仍然是此方法的挑战之一。

图丨Beta-O2可植入设备

在健康的胰腺中，所有胰岛细胞都有毛细血管连接，保证它们能够接触氧分压约 100mmHg 的富氧血液。（分压指气体混合物中单个气体浓度的量度）。当医生们最初尝试将胰岛细胞移植给糖尿病患者时，许多细胞并未直接与毛细血管相连，导致了对其供氧不足。

Colton 实验室此前研究发现，外层胰岛细胞必须要接触到至少 50mmHg 的氧气才能保证存活并正常分泌胰岛素。通过一系列实验，MIT 与 Beta-O2 科技公司的这支研究团队确定了这一保证胰岛存活及长期发挥功能的设备的运行条件，同时他们以紧凑的形式组装该设备，确保了其体积足够小到能够移植到人类患者体内。

图丨该设备为植入物输氧

在发表在《科学报道》（Scientific Reports）上的文章中的设备测试部分，胰岛细胞被包裹在约 600 微米厚的藻朊酸盐（一种藻类生成的多糖）薄膜中。薄膜将能阻止外侧的免疫细胞及大分子蛋白质进入，同时保证胰岛素、营养及氧气能够穿透。在薄膜下方便是约 5 毫米厚的气体小室，其中盛满空气，包括氮气、二氧化碳和额外添加的氧气。氧气从气体小室流出，通过半透膜，流至藻朊酸盐薄膜中的胰岛细胞。

氧气溶解并穿过的薄膜的过程中便逐渐在消耗，导致氧分压的持续减低。为确保氧分压在 24 小时内保持在 50mmHg 以上，研究人员们确认，氧气在气体小室内的起始分压要达到 500mmHg。

24 小时后，氧气将通过一个端口重新添加——一个移植至皮下并有导管通至被包裹的胰岛细胞的设备。

长期存活

在无免疫抑制的糖尿病小鼠实验中，研究者们证实接近 90% 的胰岛细胞在整个移植周期（11 周至 8 个月不等）内存活。同时，他们发现大部分实验动物的血糖水平在设备移植后保持正常，而当设备摘除后回升至糖尿病水平。

这种方法的另一个好处是，由于大多数胰岛细胞处于存活状态，激发免疫应答的几率更小。当细胞死亡时，其成分分解，蛋白质和 DNA 的碎片将易引起免疫系统注意。

“通过保持细胞存活，我们将免疫应答反应降至最小，”Colton 说。

来自阿尔伯塔大学的外科学、医学及肿瘤外科教授 James Shapiro 在过去 20 年里一直管理着一个胰岛移植项目。他说自己相信这一方法将会有极佳前景，并可能在将来消除对胰岛移植患者术后给免疫抑制药的需要。

“这种设备能够保护细胞不受免疫攻击的同时，还能够以能让更多细胞存活的方式输送氧气，”并未参与本研究的 Shapiro 教授说道。“这或许能够使患者在不使用抗排异治疗的情况下，接受胰岛细胞移植，这将极大程度地提高胰岛移植手术的安全性。” 

Beta-O2 科技公司的研究者们目前正在研发在胰岛细胞旁储氧小室的新版本。这一版本或仅需每周进行一次氧气重新填充，对患者的迎合度更高。