新的設(shè)備將使移植后的胰島細胞存活更久改善糖尿病的治療方法

自上世紀六十年代開始，研究者們一直對能否使用胰島細胞移植方法治療 I 型糖尿病的課題饒有興趣——胰島細胞的功能是在血糖濃度增高時分泌胰島素。

圖丨胰島與氧分子

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

“讓氧氣到達這些細胞真是一個難題，”本研究高級作者、MIT 化學工程學教授 Clark Colton 說道?！斑@種方法的優(yōu)點在于：不再需要移植大量組織來保持胰島細胞存活并行使功能，并且能減少激發(fā)免疫應(yīng)答的發(fā)生率?！?/p>

圖丨MIT化學工程學教授Clark Colton

在大鼠身上的移植實驗發(fā)現(xiàn)，90% 的胰島細胞在數(shù)月后依然具有功能，并且大部分實驗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《科學報道》（Scientific Reports）雜志。來自 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部提供部分資金支持。

保護胰島細胞

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

胰島細胞移植無法成功的其中一個原因是移植后被患者免疫系統(tǒng)攻擊。為了保護新植入的細胞，有科學家們研發(fā)出了在移植時包裹胰島細胞的材料（如某種多聚物）。然而，胰島細胞在移植后無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，所有胰島細胞都有毛細血管連接，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氣體濃度的量度）。當醫(yī)生們最初嘗試將胰島細胞移植給糖尿病患者時，許多細胞并未直接與毛細血管相連，導致了對其供氧不足。

Colton 實驗室此前研究發(fā)現(xiàn)，外層胰島細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。通過一系列實驗，MIT 與 Beta-O2 科技公司的這支研究團隊確定了這一保證胰島存活及長期發(fā)揮功能的設(shè)備的運行條件，同時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《科學報道》（Scientific Reports）上的文章中的設(shè)備測試部分，胰島細胞被包裹在約 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)的免疫細胞及大分子蛋白質(zhì)進入，同時保證胰島素、營養(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，包括氮氣、二氧化碳和額外添加的氧氣。氧氣從氣體小室流出，通過半透膜，流至藻朊酸鹽薄膜中的胰島細胞。

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

24 小時后，氧氣將通過一個端口重新添加——一個移植至皮下并有導管通至被包裹的胰島細胞的設(shè)備。

長期存活

在無免疫抑制的糖尿病小鼠實驗中，研究者們證實接近 90% 的胰島細胞在整個移植周期（11 周至 8 個月不等）內(nèi)存活。同時，他們發(fā)現(xiàn)大部分實驗動物的血糖水平在設(shè)備移植后保持正常，而當設(shè)備摘除后回升至糖尿病水平。

這種方法的另一個好處是，由于大多數(shù)胰島細胞處于存活狀態(tài)，激發(fā)免疫應(yīng)答的幾率更小。當細胞死亡時，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。

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

來自阿爾伯塔大學的外科學、醫(yī)學及腫瘤外科教授 James Shapiro 在過去 20 年里一直管理著一個胰島移植項目。他說自己相信這一方法將會有極佳前景，并可能在將來消除對胰島移植患者術(shù)后給免疫抑制藥的需要。

“這種設(shè)備能夠保護細胞不受免疫攻擊的同時，還能夠以能讓更多細胞存活的方式輸送氧氣，”并未參與本研究的 Shapiro 教授說道。“這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)在胰島細胞旁儲氧小室的新版本。這一版本或僅需每周進行一次氧氣重新填充，對患者的迎合度更高。