Long-term viability and function of transplanted islets macroencapsulated at high density are achieved by enhanced oxygen supply

通過增強氧氣供應(yīng)實現(xiàn)高密度宏封裝移植胰島的長期存活和功能

來源：Scientific Reports, Volume 8, Article number: 6508, 2018

《科學報告》，第8卷，文章編號6508，2018年

 

摘要

這篇論文的摘要指出，移植封裝胰島可以治愈糖尿病而不需要免疫抑制，但氧氣供應(yīng)限制可能導致失敗。本研究研究了一種可檢索的宏封裝設(shè)備，其中胰島被封裝在平面藻酸鹽板中，并通過可補充的氣體室提供外源氧氣。通過增加氣體室的氧氣分壓（pO2），可以安全地大幅提高胰島表面密度，維持所有胰島的存活和功能。在糖尿病大鼠中，封裝胰島以高達4,800 IEQ/cm2的表面密度植入，維持正常血糖超過7個月，并提供了接近正常的靜脈葡萄糖耐量測試。設(shè)備取出后，恢復了近90%的原始存活組織。損壞的胰島在逐漸縮短的時間內(nèi)失效。所需氣體室pO2值可以通過數(shù)學模型預測。這些結(jié)果證明了開發(fā)足夠小用于臨床的可檢索宏封裝設(shè)備的可行性。

 

研究目的

本研究的主要目的是確定如何通過增強氧氣供應(yīng)來支持高密度封裝胰島的長期存活和功能，從而減小宏封裝設(shè)備的尺寸，使其適用于臨床。具體目標是研究通過提高氣體室pO2來增加胰島表面密度的安全性和有效性，并驗證數(shù)學模型以指導設(shè)備設(shè)計。

 

研究思路

研究思路是使用一種稱為βAir的可檢索宏封裝設(shè)備，將胰島封裝在藻酸鹽板中，并通過相鄰氣體室提供外源氧氣。通過改變藻酸鹽板的直徑來調(diào)整胰島表面密度（從2,400到4,800 IEQ/cm2），同時保持胰島負載量恒定（約2,400 IEQ）。在體外測量藻酸鹽板內(nèi)的pO2剖面，以確定維持所有胰島存活所需的最小氣體室pO2。在體內(nèi)，將設(shè)備植入糖尿病大鼠中，監(jiān)測血糖水平、靜脈葡萄糖耐量測試和胰島耗氧率（OCR）。使用數(shù)學模型預測氧氣消耗和擴散，并與實驗數(shù)據(jù)比較。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  pO2剖面測量：使用氧氣微電極測量藻酸鹽板內(nèi)不同深度的pO2，以確定氧氣梯度。這些數(shù)據(jù)展示在Figure 1F中。研究意義：直接驗證了氧氣在封裝環(huán)境中的擴散情況，確保最遠離氣體室的胰島表面pO2不低于50 mmHg，從而保證胰島存活。這為確定安全的氣體室pO2提供了實驗依據(jù)。

 

2. 氣體室pO2變化：測量植入設(shè)備中氣體室pO2在24小時內(nèi)的變化，記錄初始和最終pO2。這些數(shù)據(jù)總結(jié)在Table 1中。研究意義：證實了每日補充氧氣的必要性，并確保在補充前pO2仍高于最低要求，避免了缺氧風險。這優(yōu)化了設(shè)備操作參數(shù)。

 

3. 胰島耗氧率（OCR）：使用定制攪拌池測量封裝胰島的OCR，在植入前和取出后進行比較。這些數(shù)據(jù)展示在Figure 2中。研究意義：OCR是胰島存活和代謝活性的關(guān)鍵指標。取出后OCR恢復率平均達88%，表明高密度封裝下胰島 viability 得到長期維持，驗證了氧氣供應(yīng)的有效性。

 

4. 血糖水平和正常血糖維持：監(jiān)測植入大鼠的血糖濃度，評估設(shè)備功能。這些數(shù)據(jù)展示在Figure 4A中。研究意義：顯示設(shè)備能長期維持正常血糖（最長229天），證明高密度胰島在增強氧氣供應(yīng)下功能完整，為臨床轉(zhuǎn)化提供了信心。

 

5. 靜脈葡萄糖耐量測試（IVGTT）：在植入后20天和40天進行IVGTT，比較與正常大鼠的差異。這些數(shù)據(jù)展示在Figure 4B中。研究意義：IVGTT結(jié)果接近正常，表明封裝胰島能快速響應(yīng)葡萄糖變化，功能未受高密度或高pO2影響，突出了設(shè)備的生理相關(guān)性。

6. 胰島質(zhì)量參數(shù)與正常血糖時間的關(guān)系：分析植入前胰島數(shù)量（IEQ）和OCR與正常血糖持續(xù)時間的關(guān)系。這些數(shù)據(jù)展示在Figure 5中。研究意義：表明胰島質(zhì)量（如高IEQ和高OCR）是移植成功的關(guān)鍵預測因子，與裸露胰島移植結(jié)果一致，強調(diào)了初始胰島質(zhì)量的重要性。

 

 

結(jié)論

本研究得出的主要結(jié)論是：通過將氣體室pO2提高到超生理水平（如570 mmHg），可以安全地支持高達4,800 IEQ/cm2的胰島表面密度，實現(xiàn)長期存活和功能。胰島在封裝環(huán)境中維持了近90%的存活率，并能正常調(diào)節(jié)血糖。數(shù)學模型成功預測了氧氣需求，驗證了設(shè)備設(shè)計原理。這些結(jié)果為開發(fā)小型化臨床可用設(shè)備奠定了堅實基礎(chǔ)，并表明增強氧氣供應(yīng)是克服封裝胰島缺氧問題的有效策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

在本文中，使用丹麥Unisense氧氣微電極進行測量具有關(guān)鍵的研究意義。該電極用于精確量化氧氣濃度，特別是在兩個核心方面：一是測量藻酸鹽板內(nèi)的pO2剖面（如Figure 1F所示），以確定氧氣梯度；二是監(jiān)測植入設(shè)備氣體室中的pO2變化（如方法部分所述）。研究意義在于：1. 高精度與可靠性：Unisense電極提供了高空間分辨率的pO2測量，能夠?qū)崟r跟蹤氧氣擴散動態(tài)，這對于驗證數(shù)學模型和確保實驗條件可控至關(guān)重要。例如，pO2剖面數(shù)據(jù)直接證實了氧氣從氣體室向宿主組織界面的遞減趨勢，使研究人員能精確設(shè)定最小安全pO2。2. 實驗驗證的基礎(chǔ)：通過電極測量氣體室pO2在24小時內(nèi)的下降（從初始值到最終值），確保了設(shè)備操作參數(shù)（如每日補充氧氣）的合理性，避免了因氧氣耗盡導致的胰島缺氧。這增強了體內(nèi)實驗結(jié)果的可靠性。3. 支持技術(shù)轉(zhuǎn)化：精確的氧氣測量為設(shè)備設(shè)計提供了定量依據(jù)，使數(shù)學模型得以驗證，從而簡化了臨床設(shè)備的縮放設(shè)計。總之，Unisense電極的應(yīng)用為本研究提供了不可或缺的氧氣動力學數(shù)據(jù)，是連接理論預測與實驗驗證的橋梁，顯著提升了研究結(jié)果的科學嚴謹性和臨床適用性。