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

通過增強氧氣供應實現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，但氧氣供應限制可能導致失敗。本研究研究了一種可檢索的宏封裝設備，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失效。所需氣體室pO2值可以通過數學模型預測。這些結果證明了開發足夠小用于臨床的可檢索宏封裝設備的可行性。

 

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，并驗證數學模型以指導設備設計。

 

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，將設備植入糖尿病大鼠中，監測血糖水平、靜脈葡萄糖耐量測試和胰島耗氧率（OCR）。使用數學模型預測氧氣消耗和擴散，并與實驗數據比較。

 

測量的數據及研究意義

1.  pO2剖面測量：使用氧氣微電極測量藻酸鹽板內不同深度的pO2，以確定氧氣梯度。這些數據展示在Figure 1F中。研究意義：直接驗證了氧氣在封裝環境中的擴散情況，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。

 

2. 氣體室pO2變化：測量植入設備中氣體室pO2在24小時內的變化，記錄初始和最終pO2。這些數據總結在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。這優化了設備操作參數。

 

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。這些數據展示在Figure 2中。研究意義：OCR是胰島存活和代謝活性的關鍵指標。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，驗證了氧氣供應的有效性。

 

4. 血糖水平和正常血糖維持：監測植入大鼠的血糖濃度，評估設備功能。這些數據展示在Figure 4A中。研究意義：顯示設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下功能完整，為臨床轉化提供了信心。

 

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。這些數據展示在Figure 4B中。研究意義：IVGTT結果接近正常，表明封裝胰島能快速響應葡萄糖變化，功能未受高密度或高pO2影響，突出了設備的生理相關性。

6. 胰島質量參數與正常血糖時間的關系：分析植入前胰島數量（IEQ）和OCR與正常血糖持續時間的關系。這些數據展示在Figure 5中。研究意義：表明胰島質量（如高IEQ和高OCR）是移植成功的關鍵預測因子，與裸露胰島移植結果一致，強調了初始胰島質量的重要性。

 

 

結論

本研究得出的主要結論是：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，實現長期存活和功能。胰島在封裝環境中維持了近90%的存活率，并能正常調節血糖。數學模型成功預測了氧氣需求，驗證了設備設計原理。這些結果為開發小型化臨床可用設備奠定了堅實基礎，并表明增強氧氣供應是克服封裝胰島缺氧問題的有效策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

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的pO2剖面（如Figure 1F所示），以確定氧氣梯度；二是監測植入設備氣體室中的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，能夠實時跟蹤氧氣擴散動態，這對于驗證數學模型和確保實驗條件可控至關重要。例如，pO2剖面數據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定最小安全pO2。2. 實驗驗證的基礎：通過電極測量氣體室pO2在24小時內的下降（從初始值到最終值），確保了設備操作參數（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。這增強了體內實驗結果的可靠性。3. 支持技術轉化：精確的氧氣測量為設備設計提供了定量依據，使數學模型得以驗證，從而簡化了臨床設備的縮放設計。總之，Unisense電極的應用為本研究提供了不可或缺的氧氣動力學數據，是連接理論預測與實驗驗證的橋梁，顯著提升了研究結果的科學嚴謹性和臨床適用性。