研究簡介：胰島細胞移植后能改善糖尿病的糖代謝異常，并實現(xiàn)對血糖的持續(xù)監(jiān)測和調節(jié)，且微囊的免疫隔離作用能消除或減輕受體對異體或異種免疫排斥反應，減少或消除對免疫抑制劑的依賴。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，缺氧和細胞壞死會增強移植組織的免疫反應。本論文的研究人員研究一種封裝的設備來增強為植入的胰島提供氧氣，同時保護胰島免受免疫攻擊，其中胰島被封裝在一個平面藻酸鹽平板中，外源氧氣是由一個可補充氣體的氣室供應，研究體系中氧氣濃度對于胰島的存活及其功能的影響。

Unisense微電極系統(tǒng)的應用

尖端直徑為500unisense氧氣微呼吸電極應用與移植的胰島細胞的耗氧速率的測試，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玻璃箱內，使用溫度控制單元使空氣溫度保持在37±1℃。攪拌速度增加，直到測量到的氧氣消耗速率不變(約70 rpm)，從而確保與胰島細胞和O2電極周圍的傳質邊界層相關的影響最小。由于胰島耗氧量的增加，微呼吸測試系統(tǒng)的測量室內介質中O2濃度從初始值與周圍空氣平衡時開始隨時間降低。通過線性回歸擬合O2濃度隨時間的變化數(shù)據(jù)，并利用斜率估計胰島的耗氧速率。

實驗結果

研究了細胞移植在一個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檢測方法顯示接近90%胰島的生存能力得到保存。這也是第一個定量保存胰島活力的封裝系統(tǒng)。此案例對異種胰島和干細胞分化產生的胰島細胞也將享受類似的好處。

圖1、用于測量板內氧氣剖面的空氣裝置和系統(tǒng)。圖A表示的是胰島細胞嵌入兩側不銹鋼網格的厚度為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,界面處是組織細胞,內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個胰島當量/cm3的空氣裝置頂視圖。圖D表示的是頂部表面的設備具有不同密度的胰島，胰島下方可見頂部金屬網格。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IEQ,氧氣消耗速率（OCR）為3.4-3.8 pmol/IEQ/min，用氧氣微電極測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。每24小時用含規(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pO2。OCR由pO2隨時間的變化率決定的。圖B表示的是耗氧速率（OCR）在Air設備移出后得到恢復。OCR是設備移出前和移出后的時間段內計算獲得的。

圖4、氧分壓差與胰島組織體積分數(shù)或胰島表面密度的關系。圖中的所取的點是不同密度的胰島（S=2,400、3,600和4,800 IEQ/cm2）對應的數(shù)據(jù)點。

圖5、動物的正常血糖時間與胰島植入動物前的動物體內的胰島參數(shù)相關數(shù)據(jù)之間的關系。維持正常血糖的時間分別為（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行移植的。圖A表示的是每個動物的基準點在相應的OCR和IEQ的數(shù)量上繪制的。圖B表示的是各區(qū)域不同時間的正常血糖分數(shù)（小于4周時間和大于4周時間）。圖C表示的與圖(A)相同的IEQ/kg和OCR/DNA坐標上繪制的數(shù)據(jù)。圖D的數(shù)據(jù)是與圖B相同的各區(qū)域正常血糖分數(shù)與時間的關系。

總結

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平面藻酸鹽平板中，并由外源氧氣是由一個可補充氣體的氣室供應。通過將氣室氧分壓（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敏反應的超生理水平。這些超生理水平氧濃度的確定是通過應用unisense氧微電極對海島藻酸鹽板中pO2剖面的測量實現(xiàn)的。研究發(fā)現(xiàn)囊狀胰島植入的表面密度高達4800個胰島當量/cm3，可實現(xiàn)對糖尿病大鼠維持正常血糖超過7個月并提供接近正常的靜脈葡萄糖耐量測試，并且接近90%的原始的活體組織在器械移植后得到恢復。通過unisense微電極測試的氧剖面濃度數(shù)據(jù)對于氧的數(shù)學模型中建立并預測出所需的氣室的pO2值的設備的氧氣的消耗和擴散速率。此項研究結果證明了開發(fā)可回收外匣限器件的可行性，增強氧氣供應設備提供了一個合適的用包膜胰島和其他細胞療法治療糖尿病的方法。此外該數(shù)學模型為基于設備操作條件和組織特性的臨床設備設計提供了一個框架，并為臨床應用提供了足夠小的微膠囊化裝置。這說明unisense微電極在醫(yī)學胰島移植的設備裝置研究中具有很好的應用前景。