高密度封装设备移植胰岛的长期存活及功能是通过增加氧气供应来实现(医学移植，细胞的呼吸速率测试，胰岛细胞研究）

研究简介：胰岛细胞移植后能改善糖尿病的糖代谢异常，并实现对血糖的持续监测和调节，且微囊的免疫隔离作用能消除或减轻受体对异体或异种免疫排斥反应，减少或消除对免疫抑制剂的依赖。胰岛移植可以在功能上治愈1型糖尿病，但需要免疫抑制。胰岛包膜有望消除免疫抑制，但需要改善性能。在这些突出的问题中，最主要的是供氧不足，这是造成故障的主要原因，此外，缺氧和细胞坏死会增强移植组织的免疫反应。本论文的研究人员研究一种封装的设备来增强为植入的胰岛提供氧气，同时保护胰岛免受免疫攻击，其中胰岛被封装在一个平面藻酸盐平板中，外源氧气是由一个可补充气体的气室供应，研究体系中氧气浓度对于胰岛的存活及其功能的影响。

Unisense微电极系统的应用

尖端直径为500unisense氧气微呼吸电极应用与移植的胰岛细胞的耗氧速率的测试，该微电极直径连接到皮安表控制器。O2微呼吸电极置于有机玻璃箱内，使用温度控制单元使空气温度保持在37±1℃。搅拌速度增加，直到测量到的氧气消耗速率不变(约70 rpm)，从而确保与胰岛细胞和O2电极周围的传质边界层相关的影响最小。由于胰岛耗氧量的增加，微呼吸测试系统的测量室内介质中O2浓度从初始值与周围空气平衡时开始随时间降低。通过线性回归拟合O2浓度随时间的变化数据，并利用斜率估计胰岛的耗氧速率。

实验结果

研究了细胞移植在一个可回收的封闭装置中（装置中包含藻酸盐平板上的胰岛，其表面的氧气浓度是超正常生理水平的）的胰岛存活能力和功能。胰岛密度高达4800 IEQ/cm2，在初始阶段保持了胰岛的可行性和功能性，胰岛所处的环境是氧分压（pO2）为570mmHg的气室。这是第一次成功的演示植入如此高密度的组织。在植入前和移植后使用一种新的OCR检测方法显示接近90%胰岛的生存能力得到保存。这也是第一个定量保存胰岛活力的封装系统。此案例对异种胰岛和干细胞分化产生的胰岛细胞也将享受类似的好处。

图1、用于测量板内氧气剖面的空气装置和系统。图A表示的是胰岛细胞嵌入两侧不锈钢网格的厚度为500-600μm海藻酸盐中,外表面与充满海藻酸盐的聚四氟乙烯膜表面,界面处是组织细胞,内部面被透氧硅橡胶聚四氟乙烯膜覆盖。图B表示的是PEEK外壳包括气室和两个连接到皮下植入组织的接入端口。图C表示的是表面密度为2400个胰岛当量/cm3的空气装置顶视图。图D表示的是顶部表面的设备具有不同密度的胰岛，胰岛下方可见顶部金属网格。图E表示的是在改装的气体装备中胰岛舱体的氧浓度剖面。图F表示的是平面藻酸盐板内典型的氧浓度剖面图。

图2、气室中的氧分压。在不同密度下固定约2400个IEQ,氧气消耗速率（OCR）为3.4-3.8 pmol/IEQ/min，用氧气微电极测量海藻酸盐板处不同深度的pO2。将含有不同密度胰岛的装置植入糖尿病大鼠体内。每24小时用含规定氧浓度、40毫米汞柱二氧化碳和氮的20毫升混合气体冲洗气室一次。

图3、藻酸盐平板固定化胰岛的耗氧速率(OCR)。图A表示的是藻酸盐板中小岛OCR测量装置的横断面示意图。锥形室充满缓冲液，氧微电极用于监测pO2。OCR由pO2随时间的变化率决定的。图B表示的是耗氧速率（OCR）在Air设备移出后得到恢复。OCR是设备移出前和移出后的时间段内计算获得的。

图4、氧分压差与胰岛组织体积分数或胰岛表面密度的关系。图中的所取的点是不同密度的胰岛（S=2,400、3,600和4,800 IEQ/cm2）对应的数据点。

图5、动物的正常血糖时间与胰岛植入动物前的动物体内的胰岛参数相关数据之间的关系。维持正常血糖的时间分别为（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况下进行移植的。图A表示的是每个动物的基准点在相应的OCR和IEQ的数量上绘制的。图B表示的是各区域不同时间的正常血糖分数（小于4周时间和大于4周时间）。图C表示的与图(A)相同的IEQ/kg和OCR/DNA坐标上绘制的数据。图D的数据是与图B相同的各区域正常血糖分数与时间的关系。

总结

本论文主要研究了一种可回收的的封闭装置器件，其中的胰岛被封装在一个平面藻酸盐平板中，并由外源氧气是由一个可补充气体的气室供应。通过将气室氧分压（pO2）增加到可以大幅度提高胰岛表面密度并维持所有胰岛存活和功能的过敏反应的超生理水平。这些超生理水平氧浓度的确定是通过应用unisense氧微电极对海岛藻酸盐板中pO2剖面的测量实现的。研究发现囊状胰岛植入的表面密度高达4800个胰岛当量/cm3，可实现对糖尿病大鼠维持正常血糖超过7个月并提供接近正常的静脉葡萄糖耐量测试，并且接近90%的原始的活体组织在器械移植后得到恢复。通过unisense微电极测试的氧剖面浓度数据对于氧的数学模型中建立并预测出所需的气室的pO2值的设备的氧气的消耗和扩散速率。此项研究结果证明了开发可回收外匣限器件的可行性，增强氧气供应设备提供了一个合适的用包膜胰岛和其他细胞疗法治疗糖尿病的方法。此外该数学模型为基于设备操作条件和组织特性的临床设备设计提供了一个框架，并为临床应用提供了足够小的微胶囊化装置。这说明unisense微电极在医学胰岛移植的设备装置研究中具有很好的应用前景。