研究簡(jiǎn)介：胰島細(xì)胞移植后能改善糖尿病的糖代謝異常，并實(shí)現(xiàn)對(duì)血糖的持續(xù)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，且微囊的免疫隔離作用能消除或減輕受體對(duì)異體或異種免疫排斥反應(yīng)，減少或消除對(duì)免疫抑制劑的依賴。胰島移植可以在功能上治愈1型糖尿病，但需要免疫抑制。胰島包膜有望消除免疫抑制，但需要改善性能。在這些突出的問(wèn)題中，最主要的是供氧不足，這是造成故障的主要原因，此外，缺氧和細(xì)胞壞死會(huì)增強(qiáng)移植組織的免疫反應(yīng)。本論文的研究人員研究一種封裝的設(shè)備來(lái)增強(qiáng)為植入的胰島提供氧氣，同時(shí)保護(hù)胰島免受免疫攻擊，其中胰島被封裝在一個(gè)平面藻酸鹽平板中，外源氧氣是由一個(gè)可補(bǔ)充氣體的氣室供應(yīng)，研究體系中氧氣濃度對(duì)于胰島的存活及其功能的影響。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

尖端直徑為500unisense氧氣微呼吸電極應(yīng)用與移植的胰島細(xì)胞的耗氧速率的測(cè)試，該微電極直徑連接到皮安表控制器。O2微呼吸電極置于有機(jī)玻璃箱內(nèi)，使用溫度控制單元使空氣溫度保持在37±1℃。攪拌速度增加，直到測(cè)量到的氧氣消耗速率不變(約70 rpm)，從而確保與胰島細(xì)胞和O2電極周圍的傳質(zhì)邊界層相關(guān)的影響最小。由于胰島耗氧量的增加，微呼吸測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量室內(nèi)介質(zhì)中O2濃度從初始值與周圍空氣平衡時(shí)開(kāi)始隨時(shí)間降低。通過(guò)線性回歸擬合O2濃度隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，并利用斜率估計(jì)胰島的耗氧速率。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究了細(xì)胞移植在一個(gè)可回收的封閉裝置中（裝置中包含藻酸鹽平板上的胰島，其表面的氧氣濃度是超正常生理水平的）的胰島存活能力和功能。胰島密度高達(dá)4800 IEQ/cm2，在初始階段保持了胰島的可行性和功能性，胰島所處的環(huán)境是氧分壓（pO2）為570mmHg的氣室。這是第一次成功的演示植入如此高密度的組織。在植入前和移植后使用一種新的OCR檢測(cè)方法顯示接近90%胰島的生存能力得到保存。這也是第一個(gè)定量保存胰島活力的封裝系統(tǒng)。此案例對(duì)異種胰島和干細(xì)胞分化產(chǎn)生的胰島細(xì)胞也將享受類似的好處。

圖1、用于測(cè)量板內(nèi)氧氣剖面的空氣裝置和系統(tǒng)。圖A表示的是胰島細(xì)胞嵌入兩側(cè)不銹鋼網(wǎng)格的厚度為500-600μm海藻酸鹽中,外表面與充滿海藻酸鹽的聚四氟乙烯膜表面,界面處是組織細(xì)胞,內(nèi)部面被透氧硅橡膠聚四氟乙烯膜覆蓋。圖B表示的是PEEK外殼包括氣室和兩個(gè)連接到皮下植入組織的接入端口。圖C表示的是表面密度為2400個(gè)胰島當(dāng)量/cm3的空氣裝置頂視圖。圖D表示的是頂部表面的設(shè)備具有不同密度的胰島，胰島下方可見(jiàn)頂部金屬網(wǎng)格。圖E表示的是在改裝的氣體裝備中胰島艙體的氧濃度剖面。圖F表示的是平面藻酸鹽板內(nèi)典型的氧濃度剖面圖。

圖2、氣室中的氧分壓。在不同密度下固定約2400個(gè)IEQ,氧氣消耗速率（OCR）為3.4-3.8 pmol/IEQ/min，用氧氣微電極測(cè)量海藻酸鹽板處不同深度的pO2。將含有不同密度胰島的裝置植入糖尿病大鼠體內(nèi)。每24小時(shí)用含規(guī)定氧濃度、40毫米汞柱二氧化碳和氮的20毫升混合氣體沖洗氣室一次。

圖3、藻酸鹽平板固定化胰島的耗氧速率(OCR)。圖A表示的是藻酸鹽板中小島OCR測(cè)量裝置的橫斷面示意圖。錐形室充滿緩沖液，氧微電極用于監(jiān)測(cè)pO2。OCR由pO2隨時(shí)間的變化率決定的。圖B表示的是耗氧速率（OCR）在Air設(shè)備移出后得到恢復(fù)。OCR是設(shè)備移出前和移出后的時(shí)間段內(nèi)計(jì)算獲得的。

圖4、氧分壓差與胰島組織體積分?jǐn)?shù)或胰島表面密度的關(guān)系。圖中的所取的點(diǎn)是不同密度的胰島（S=2,400、3,600和4,800 IEQ/cm2）對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖5、動(dòng)物的正常血糖時(shí)間與胰島植入動(dòng)物前的動(dòng)物體內(nèi)的胰島參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。維持正常血糖的時(shí)間分別為（1）0周，（2）大于0-4周，（3）4-8周，（4）8周或仍在正常血糖的情況下進(jìn)行移植的。圖A表示的是每個(gè)動(dòng)物的基準(zhǔn)點(diǎn)在相應(yīng)的OCR和IEQ的數(shù)量上繪制的。圖B表示的是各區(qū)域不同時(shí)間的正常血糖分?jǐn)?shù)（小于4周時(shí)間和大于4周時(shí)間）。圖C表示的與圖(A)相同的IEQ/kg和OCR/DNA坐標(biāo)上繪制的數(shù)據(jù)。圖D的數(shù)據(jù)是與圖B相同的各區(qū)域正常血糖分?jǐn)?shù)與時(shí)間的關(guān)系。

總結(jié)

本論文主要研究了一種可回收的的封閉裝置器件，其中的胰島被封裝在一個(gè)平面藻酸鹽平板中，并由外源氧氣是由一個(gè)可補(bǔ)充氣體的氣室供應(yīng)。通過(guò)將氣室氧分壓（pO2）增加到可以大幅度提高胰島表面密度并維持所有胰島存活和功能的過(guò)敏反應(yīng)的超生理水平。這些超生理水平氧濃度的確定是通過(guò)應(yīng)用unisense氧微電極對(duì)海島藻酸鹽板中pO2剖面的測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。研究發(fā)現(xiàn)囊狀胰島植入的表面密度高達(dá)4800個(gè)胰島當(dāng)量/cm3，可實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病大鼠維持正常血糖超過(guò)7個(gè)月并提供接近正常的靜脈葡萄糖耐量測(cè)試，并且接近90%的原始的活體組織在器械移植后得到恢復(fù)。通過(guò)unisense微電極測(cè)試的氧剖面濃度數(shù)據(jù)對(duì)于氧的數(shù)學(xué)模型中建立并預(yù)測(cè)出所需的氣室的pO2值的設(shè)備的氧氣的消耗和擴(kuò)散速率。此項(xiàng)研究結(jié)果證明了開(kāi)發(fā)可回收外匣限器件的可行性，增強(qiáng)氧氣供應(yīng)設(shè)備提供了一個(gè)合適的用包膜胰島和其他細(xì)胞療法治療糖尿病的方法。此外該數(shù)學(xué)模型為基于設(shè)備操作條件和組織特性的臨床設(shè)備設(shè)計(jì)提供了一個(gè)框架，并為臨床應(yīng)用提供了足夠小的微膠囊化裝置。這說(shuō)明unisense微電極在醫(yī)學(xué)胰島移植的設(shè)備裝置研究中具有很好的應(yīng)用前景。