Oxygen environment and islet size are the primary limiting factors of isolated pancreatic islet survival

氧環(huán)境和胰島大小是孤立胰腺胰島生存的主要限制因素

來源：PLOS ONE, 12(8): e0183780,2017

《公共科學圖書館 - 綜合》，第12卷，第8期，文章編號e0183780，2017年

 

摘要

這篇論文的摘要討論了孤立人類胰島在移植治療1型糖尿病中的生存問題。研究通過計算模擬和體外實驗發(fā)現(xiàn)，胰島內(nèi)部的氧梯度導致核心缺氧，從而引起中央壞死。氧環(huán)境和胰島大小是影響胰島生存的主要因素。高氧環(huán)境（超過75%）對胰島細胞有毒性，而提供充足氧氣（如50%氧）可以改善胰島存活。摘要指出，缺氧是胰島壞死的關(guān)鍵原因，優(yōu)化氧供應是提高移植效率的有效方法。

 

研究目的

本研究旨在確定孤立胰島壞死的原因，特別是氧環(huán)境和胰島大小對胰島生存的影響，以提高胰島移植的效率。研究假設(shè)缺氧是導致胰島細胞死亡的主要因素，并通過模擬和實驗驗證這一假設(shè)。

 

研究思路

研究思路包括結(jié)合計算模擬和體外實驗。首先，使用計算模型（in silico）模擬不同氧環(huán)境下胰島內(nèi)部的氧張力梯度，參數(shù)基于單細胞體積和氧消耗率（OCR）。其次，進行體外實驗，培養(yǎng)人類胰島在不同氧濃度（1%至95%）下，評估胰島存活率（viability）。通過比較模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，分析氧張力和胰島直徑對生存的影響，并使用邏輯回歸模型預測生存概率。研究還使用丹麥Unisense電極精確測量培養(yǎng)基中的氧張力，以驗證模擬條件。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 單細胞體積和OCR數(shù)據(jù)：通過組織學分析計算人類胰島的單細胞體積（平均1166.5 μm3），并測量β和α細胞系的OCR（約4-5×10?3 pmol/min/cell）。這些數(shù)據(jù)用于模擬參數(shù)，來自圖1和表1。研究意義在于提供了模擬的基礎(chǔ)參數(shù)，確保模擬的準確性，揭示胰島內(nèi)部氧消耗的細胞基礎(chǔ)。

 

 

2 氧模擬數(shù)據(jù)：計算模擬顯示，胰島內(nèi)部存在氧梯度，大胰島（150μm直徑）核心缺氧，小胰島（50μm直徑）氧分布均勻。模擬在不同氧環(huán)境（100-350 mmHg）下進行，顯示缺氧核心隨胰島增大或氧濃度降低而擴大，來自圖1D和圖2C。研究意義在于直接證明缺氧是中央壞死的原因，支持缺氧導致細胞死亡的假設(shè)。

 

3 體外存活率數(shù)據(jù)：體外實驗顯示，小胰島（40-60μm）在21%氧下存活率最高，75%和95%氧有毒性（存活率顯著降低），1%氧存活率低。大胰島在低氧下中央壞死明顯，高氧改善存活，來自圖2A、2B和2D。研究意義在于驗證模擬結(jié)果，表明氧環(huán)境對存活有直接影響，高氧有毒但適度高氧（如50%氧）有益。

4 2D和3D存活率轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)：將2D存活率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D體積模型，顯示3D存活率高于2D評估。散點圖分析1278個胰島，顯示胰島直徑和氧張力協(xié)同影響存活，來自圖3A-3D和表2。研究意義在于更準確評估真實存活情況，突出胰島大小和氧環(huán)境的關(guān)鍵作用。

 

 

5 邏輯回歸預測數(shù)據(jù)：邏輯回歸模型預測生存概率（定義存活為3D存活率>95%），顯示大胰島生存率低，但高氧環(huán)境（如350 mmHg）改善生存，例如200μm胰島在50 mmHg下生存率60.6%，在350 mmHg下升至95.3%，來自圖3E。研究意義在于提供實用工具，幫助優(yōu)化培養(yǎng)條件，提高移植成功率。

6 丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)：使用Unisense電極測量培養(yǎng)基絕對氧張力（如10%氧對應100 mmHg，21%氧對應160 mmHg），用于模擬和實驗驗證，來自方法部分和結(jié)果引用。研究意義在于提供精確的氧張力數(shù)據(jù)，確保模擬與實驗條件一致，增強結(jié)果可靠性。

 

結(jié)論

研究得出結(jié)論，缺氧是孤立胰島中央壞死的主要原因，氧環(huán)境和胰島大小協(xié)同影響胰島生存。高氧環(huán)境（但不超過75%）可以改善存活，小胰島更易存活。計算模擬與實驗數(shù)據(jù)一致，支持缺氧導致壞死的假設(shè)。優(yōu)化氧供應和選擇小胰島是提高胰島移植效率的關(guān)鍵策略。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測量的氧張力數(shù)據(jù)具有重要研究意義，因為它提供了高精度的實時氧濃度測量，使研究人員能夠準確量化培養(yǎng)基中的氧環(huán)境。這些數(shù)據(jù)用于校準計算模擬條件，確保模擬的氧梯度與實際情況一致，從而驗證缺氧導致胰島核心壞死的假設(shè)。Unisense電極的測量幫助識別非毒性氧范圍（10%-50%氧），避免高氧毒性，并證實適度高氧（如50%氧對應350 mmHg）能有效減少缺氧核心，提高存活率。這種精確測量增強了實驗的可靠性，為制定最佳培養(yǎng)方案提供了實證基礎(chǔ)，對改進胰島移植工藝具有直接應用價值。