自上世紀(jì)六十年代開(kāi)始，研究者們一直對(duì)能否使用胰島細(xì)胞移植方法治療 I 型糖尿病的課題饒有興趣——胰島細(xì)胞的功能是在血糖濃度增高時(shí)分泌胰島素。

圖丨胰島與氧分子

然而事實(shí)證明，這種方法實(shí)施起來(lái)具有挑戰(zhàn)性。其中的一個(gè)障礙是：移植后，如果胰島細(xì)胞不能吸收足量的氧氣，它們將很快死亡。如今，來(lái)自 MIT 的研究者們與 Beta-O2 科技公司合作，研發(fā)并測(cè)試了一種為專門胰島細(xì)胞提供氧氣的可植入設(shè)備，其中供氧小室每 24 小時(shí)重新裝滿一次氧氣。

“讓氧氣到達(dá)這些細(xì)胞真是一個(gè)難題，”本研究高級(jí)作者、MIT 化學(xué)工程學(xué)教授 Clark Colton 說(shuō)道?！斑@種方法的優(yōu)點(diǎn)在于：不再需要移植大量組織來(lái)保持胰島細(xì)胞存活并行使功能，并且能減少激發(fā)免疫應(yīng)答的發(fā)生率?！?/p>

圖丨MIT化學(xué)工程學(xué)教授Clark Colton

在大鼠身上的移植實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，90% 的胰島細(xì)胞在數(shù)月后依然具有功能，并且大部分實(shí)驗(yàn)大鼠在此期間保持了正常高的血糖水平。

本研究于 4 月 25 日發(fā)表在《科學(xué)報(bào)道》（Scientific Reports）雜志。來(lái)自 Beta-O2科技公司的 Yoav Evron 是本研究的首席作者。此研究由以色列科學(xué)部提供部分資金支持。

保護(hù)胰島細(xì)胞

當(dāng)自身的免疫系統(tǒng)破壞胰島細(xì)胞，患者將患 I 型糖尿病，其自身無(wú)法再分泌對(duì)細(xì)胞從血流中吸收血糖絕對(duì)必要的胰島素。早期將尸體的胰島細(xì)胞移植到患者體內(nèi)的方法并未成功，在移植后胰島細(xì)胞無(wú)法長(zhǎng)期存活。

胰島細(xì)胞移植無(wú)法成功的其中一個(gè)原因是移植后被患者免疫系統(tǒng)攻擊。為了保護(hù)新植入的細(xì)胞，有科學(xué)家們研發(fā)出了在移植時(shí)包裹胰島細(xì)胞的材料（如某種多聚物）。然而，胰島細(xì)胞在移植后無(wú)法獲得充足氧氣仍然是此方法的挑戰(zhàn)之一。

圖丨Beta-O2可植入設(shè)備

在健康的胰腺中，所有胰島細(xì)胞都有毛細(xì)血管連接，保證它們能夠接觸氧分壓約 100mmHg 的富氧血液。（分壓指氣體混合物中單個(gè)氣體濃度的量度）。當(dāng)醫(yī)生們最初嘗試將胰島細(xì)胞移植給糖尿病患者時(shí)，許多細(xì)胞并未直接與毛細(xì)血管相連，導(dǎo)致了對(duì)其供氧不足。

Colton 實(shí)驗(yàn)室此前研究發(fā)現(xiàn)，外層胰島細(xì)胞必須要接觸到至少 50mmHg 的氧氣才能保證存活并正常分泌胰島素。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，MIT 與 Beta-O2 科技公司的這支研究團(tuán)隊(duì)確定了這一保證胰島存活及長(zhǎng)期發(fā)揮功能的設(shè)備的運(yùn)行條件，同時(shí)他們以緊湊的形式組裝該設(shè)備，確保了其體積足夠小到能夠移植到人類患者體內(nèi)。

圖丨該設(shè)備為植入物輸氧

在發(fā)表在《科學(xué)報(bào)道》（Scientific Reports）上的文章中的設(shè)備測(cè)試部分，胰島細(xì)胞被包裹在約 600 微米厚的藻朊酸鹽（一種藻類生成的多糖）薄膜中。薄膜將能阻止外側(cè)的免疫細(xì)胞及大分子蛋白質(zhì)進(jìn)入，同時(shí)保證胰島素、營(yíng)養(yǎng)及氧氣能夠穿透。在薄膜下方便是約 5 毫米厚的氣體小室，其中盛滿空氣，包括氮?dú)?、二氧化碳和額外添加的氧氣。氧氣從氣體小室流出，通過(guò)半透膜，流至藻朊酸鹽薄膜中的胰島細(xì)胞。

氧氣溶解并穿過(guò)的薄膜的過(guò)程中便逐漸在消耗，導(dǎo)致氧分壓的持續(xù)減低。為確保氧分壓在 24 小時(shí)內(nèi)保持在 50mmHg 以上，研究人員們確認(rèn)，氧氣在氣體小室內(nèi)的起始分壓要達(dá)到 500mmHg。

24 小時(shí)后，氧氣將通過(guò)一個(gè)端口重新添加——一個(gè)移植至皮下并有導(dǎo)管通至被包裹的胰島細(xì)胞的設(shè)備。

長(zhǎng)期存活

在無(wú)免疫抑制的糖尿病小鼠實(shí)驗(yàn)中，研究者們證實(shí)接近 90% 的胰島細(xì)胞在整個(gè)移植周期（11 周至 8 個(gè)月不等）內(nèi)存活。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)大部分實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的血糖水平在設(shè)備移植后保持正常，而當(dāng)設(shè)備摘除后回升至糖尿病水平。

這種方法的另一個(gè)好處是，由于大多數(shù)胰島細(xì)胞處于存活狀態(tài)，激發(fā)免疫應(yīng)答的幾率更小。當(dāng)細(xì)胞死亡時(shí)，其成分分解，蛋白質(zhì)和 DNA 的碎片將易引起免疫系統(tǒng)注意。

“通過(guò)保持細(xì)胞存活，我們將免疫應(yīng)答反應(yīng)降至最小，”Colton 說(shuō)。

來(lái)自阿爾伯塔大學(xué)的外科學(xué)、醫(yī)學(xué)及腫瘤外科教授 James Shapiro 在過(guò)去 20 年里一直管理著一個(gè)胰島移植項(xiàng)目。他說(shuō)自己相信這一方法將會(huì)有極佳前景，并可能在將來(lái)消除對(duì)胰島移植患者術(shù)后給免疫抑制藥的需要。

“這種設(shè)備能夠保護(hù)細(xì)胞不受免疫攻擊的同時(shí)，還能夠以能讓更多細(xì)胞存活的方式輸送氧氣，”并未參與本研究的 Shapiro 教授說(shuō)道?！斑@或許能夠使患者在不使用抗排異治療的情況下，接受胰島細(xì)胞移植，這將極大程度地提高胰島移植手術(shù)的安全性?！?/p>

Beta-O2科技公司的研究者們目前正在研發(fā)在胰島細(xì)胞旁儲(chǔ)氧小室的新版本。這一版本或僅需每周進(jìn)行一次氧氣重新填充，對(duì)患者的迎合度更高。