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，研發并測試了一種為專門胰島細胞提供氧氣的可植入設備，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。“這種方法的優點在于：不再需要移植大量組織來保持胰島細胞存活并行使功能，并且能減少激發免疫應答的發生率。”

圖丨MIT化學工程學教授Clark Colton

在大鼠身上的移植實驗發現，90% 的胰島細胞在數月后依然具有功能，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攻擊。為了保護新植入的細胞，有科學家們研發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之一。

圖丨Beta-O2可植入設備

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 實驗室此前研究發現，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揮功能的設備的運行條件，同時他們以緊湊的形式組裝該設備，確保了其體積足夠小到能夠移植到人類患者體內。

圖丨該設備為植入物輸氧

在發表在《科學報道》（Scientific Reports）上的文章中的設備測試部分，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。薄膜將能阻止外側的免疫細胞及大分子蛋白質進入，同時保證胰島素、營養及氧氣能夠穿透。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，導致氧分壓的持續減低。為確保氧分壓在 24 小時內保持在 50mmHg 以上，研究人員們確認，氧氣在氣體小室內的起始分壓要達到 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）內存活。同時，他們發現大部分實驗動物的血糖水平在設備移植后保持正常，而當設備摘除后回升至糖尿病水平。

這種方法的另一個好處是，由于大多數胰島細胞處于存活狀態，激發免疫應答的幾率更小。當細胞死亡時，其成分分解，蛋白質和 DNA 的碎片將易引起免疫系統注意。

“通過保持細胞存活，我們將免疫應答反應降至最小，”Colton 說。

來自阿爾伯塔大學的外科學、醫學及腫瘤外科教授 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后給免疫抑制藥的需要。

“這種設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的安全性。”

Beta-O2科技公司的研究者們目前正在研發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。