随着全球1型糖尿病患者人数的不断攀升,科学界对于根治糖尿病的细胞治疗方案愈发关注。胰岛素分泌细胞的移植,尤其是将其封装后进行体内输送,成为疗法研发的热点。然而,长期困扰胰岛移植的最大难题之一便是缺氧环境对细胞存活和功能的不利影响。最新研发的连续氧供宏封装系统(BEAM系统)为解决这一困境提供了创新性的突破,能有效提升高密度胰岛素分泌细胞的存活率和代谢功能,极大推进了封装细胞疗法的临床转化进程。1型糖尿病源于机体免疫系统对胰岛β细胞的自身攻击,导致胰岛素严重缺乏,患者需一生依赖外源性胰岛素注射来调控血糖。尽管胰岛素治疗改善了糖尿病的生理状态,却无法实现正常的血糖稳态,且长期存在低血糖风险及多种并发症。
细胞治疗具备先天感应血糖波动并适时分泌胰岛素的优势,已被视为迈向糖尿病治愈的关键路径。将胰岛细胞或干细胞衍生的胰岛素分泌细胞封装于半透膜内,防止免疫细胞直接攻击,同时允许氧气、养分及代谢产物自由交换,历来是摆脱免疫抑制剂的可行策略。宏封装装置,因其可在体内形成具备可回收性的整体结构,安全性与方便性备受青睐。但宏封装面临气体交换不畅,氧气供应不足的严峻挑战,天然胰岛细胞对氧气的消耗极高,无血管化环境下易出现缺氧,致使细胞死亡和功能丧失,尤其对高细胞密度封装设备构成限制。当下,传统封装系统多采用低密度装载细胞,虽能暂时维持细胞活性,但所需装置体积过大,移植操作复杂且难以规模化应用。氧气供应不足还因围绕器械的纤维化组织形成,进一步阻碍氧气渗透。
为突破上述瓶颈,科学家们致力于开发持续、可控的体内氧气供给系统。固化氧释放材料虽能短期供氧,但氧气释放速度难以调控,且产物可能带来毒副作用,限制临床适用。近期,集成可注射氧气储存库的器械虽实现了长效氧供,但频繁补充氧气使患者负担加重。针对这些问题,BEAM系统引入了植入式电化学氧气发生器(iEOG),利用体内组织水分电解持续产生氧气,并配合线性环形细胞封装袋,将高密度胰岛素分泌细胞置于紧邻氧气输送管道的半透膜间隙。该设计不仅令氧气以气体形式直接供给细胞周围,缩短氧扩散距离,也避免了传统封装膜封口处的锐角和刚性连接,有效减少纤维化反应,提升组织相容性。iEOG采用膜电极组件(MEA)技术,体积小巧,仅13毫米直径,3.1毫米厚,可精准透过电流调节氧气生成量,覆盖从千至数十万等效胰岛单位(IEQ)的细胞需求。
长达数年(2年以上)的体外检测证明,其氧产量稳定可靠;体内免疫缺陷及免疫健全大鼠模型植入亦显示氧气产量无显著下降,且植入周围组织出现丰富血管,有利于进一步改善氧气供应。封装袋选用医用级聚醚嵌段酰胺(PEBAX)电纺纤维制成,质地柔软,弹性优良,纤维尺寸分布合理,孔隙率约55%,兼顾机械强度与优异的养分与气体传递特性。为加强力学稳定性,有时在袋体中加装形状记忆镍钛合金(钛镍)支架,防止植入后弯折或扭曲导致血流与氧气传递受阻。同时采用边缘无锐角的封装设计,利用聚乙二醇模板实现圆润托腔,再通过滑入式紧密接口与氧气运输管道无缝连接,避免热封等传统加工方式引发的不良局部纤维化,大幅提升装置的长期体内性能。高密度(6万IEQ/毫升)胰岛素分泌细胞的植入实验表明,无氧补充的细胞在低氧模拟环境中严重衰亡,胰岛素分泌几乎丧失;而BEAM系统稳定氧供显著提高了细胞活力,保持了正常形态和功能。其对患者来源的人胰岛亦表现出同样保护作用。
同时,在糖尿病大鼠模型中,携带iEOG氧供的封装袋移植,能迅速逆转高血糖状态,维持正常血糖水平长达三个月,证明了该系统在免疫健全环境下无需免疫抑制即可保护胰岛细胞生存,发挥疗效。细胞撤除后血糖迅速复高,进一步验证了植入细胞活性的关键作用。体内监测还发现持续稳定的氧气供给对于长期功能维持至关重要,瞬间氧气停止即出现血糖波动和细胞功能下降,强调了"连续供氧"理念的科学性。临床应用的展望方面,研究团队设计了可通过经皮无线能量传输定期充电的小型电池包,有望实现完整植入,保障患者舒适和方便。同时,配合智能传感器反馈,可实现氧气供给的闭环调节,避免过剩氧气形成气泡或组织分离等不良现象。关于氢气副产物的安全排放问题,研究也表明氢气能快速通过组织扩散并被清除,短期安全性高。
总体来看,BEAM系统的创新性体现在其集成了高效、可控、长效且安全的体内氧气发生器,配合先进的柔性免疫保护膜和人性化植入设计,实现了最大化细胞密度、降低移植体积、提高存活功能与临床适用性的综合突破。它不仅为1型糖尿病患者提供了无免疫抑制药物依赖的细胞治疗新选择,也将巨大的临床需求转化为具有高度可行性的技术方案。未来,基于BEAM系统的方案有望通过更进一步的临床前试验,在猪等更大动物中验证其长期效能及安全性,推动人类胰岛素分泌细胞疗法的临床落地。结语中,持续供氧为胰岛封装治疗的临床转化打开新局面,它既解决了封装环境中最为致命的氧气匮乏问题,也使得高密度细胞传输成为可能,极大优化治疗效果与患者体验。科学家和工程师们正通过不断革新材料工艺和电子配套设备,朝着真正实现免疫抑制自由、低体积、高效能的胰岛细胞封装治疗理想迈进,助力全球糖尿病患者迎来根治希望。 。
