一種免疫隔離裝置，用于胰島細胞的遞送

　　I型糖尿病是一種自體免疫性疾病，患者自體的免疫細胞攻擊胰島中分泌胰島素的β細胞，導致胰島素分泌不足、血糖失控。臨床上，從2-3個供體中分離出數以萬計的胰島，經過肝門靜脈注入體內，患者從而能維持血糖穩態3-5年，并且擺脫外源性胰島素的注射。然而即時血液介導的炎癥反應、免疫抑制劑的副作用和供體胰島細胞的短缺，導致了該治療方案無法得到廣泛的臨床應用。近年來，通過干細胞分化技術可以獲得源源不斷的胰島細胞，從根本上解決供體不足的問題，極具應用潛力。然而如何擺脫免疫抑制劑的使用，以及未分化干細胞的成瘤問題，仍需得到解決。

　　細胞封裝技術是將外源細胞裝載在具有免疫隔離屏障的器件、材料中，通常是具有一定孔徑的半透膜，允許包括氧氣和葡萄糖之類的小分子自由進出，同時能防止外源細胞被宿主免疫細胞攻擊，從而無需使用免疫抑制劑。免疫隔離裝置主要分為微包囊和大包囊裝置。微包囊裝置研究最多的是水凝膠，然而水凝膠通常力學性能較弱，移植體內受外力作用容易被破壞，免疫保護作用便會失效。大包囊與微包囊相比通常具有更好的力學性質，然而大包囊由于單位體積較大，比表面積相對微包囊更小，導致裝置中的營養和代謝廢物的進出交換相對微包囊較差，因而大包囊裝置對于材料生物相容性有更高的要求，否則異物反應引起的纖維層會影響裝置中細胞或組織的生存狀態和生理功能。目前，有多款免疫隔離裝置在臨床試驗中取得了一定的進展，然而還沒有一個能同時兼顧安全性和功能性。

　　6月2日，美國康奈爾大學馬明林教授團隊在Science Translational Medicine期刊上發表了題為A nanofibrous encapsulation device for safe delivery of insulin-producing cells to treat type 1 diabetes的研究論文。該研究設計開發了一種既安全又有功能的免疫隔離裝置，用于胰島細胞（包括人干細胞來源的胰島細胞）的遞送，在實驗小鼠中實現了對胰島細胞的長期保護、維持了胰島細胞的功能和存活，并且控制了血糖的穩態。

　　具體來說，該裝置的設計考慮了以下幾個方面：1）較強的力學性質以確保裝置在體內長期穩定和安全；2）管狀結構以實現高比表面積和便于微創手術移植及取回；3）良好的生物相容性避免纖維化的產生；4）精確控制的孔徑確保把免疫細胞隔離在外的同時不影響物質傳輸；5）簡單的設計便于將來可能的批量生產和臨床應用。該裝置表面是納米纖維膜，核心是海藻酸鈉水凝膠（如圖1），納米纖維膜孔徑在1微米左右，能有效防止宿主免疫細胞進入裝置，同時能防止遞送的外源細胞逃逸到宿主體內，保障了安全性；并且納米纖維膜的多孔結構能保障物質交換（例如氧氣、葡萄糖、胰島素等），利于細胞存活和感知調節血糖變化。海藻酸鈉水凝膠的優勢是成膠容易，并且能將胰島分散開，使其不容易聚團而導致缺氧壞死，同時還能將較大的蛋白如抗體隔離在外，有一定免疫保護作用。

　　圖1. 納米纖維膜免疫隔離裝置示意圖及裝置圖

　　研究者首先在小鼠體內測試該裝置的生物相容性。在三個臨床移植位點（皮下、腹部大網膜、腹腔）中，她們發現腹腔引起的免疫反應最小 ，同時沒有組織粘黏，便于裝置的取出。因而在后續的實驗中，研究者都將裝置移植到小鼠腹腔中進行研究。進而，她們利用熒光素酶在小鼠體內能生物發光來追蹤細胞的存活，她們發現裝置能保護胰島和癌細胞系4T1在同種異體環境中存活長達150天，然而沒有裝置保護的細胞在短短14天內就會被宿主排斥。緊接著研究者利用一系列不同來源的胰島細胞，包括同種同體小鼠胰島、同種異體小鼠胰島、異種異體大鼠胰島以及人胰島在小鼠糖尿病模型中都實現了對胰島細胞的長期保護及血糖穩態的有效控制（長達200天），證明了該裝置的安全性和功能性。

　　然而最具有臨床應用價值的是人干細胞來源的胰島細胞（stem cell-derived β cells, SC-β cells）。在免疫缺陷的糖尿病小鼠中，用裝置遞送人干細胞來源的胰島細胞能逆轉小鼠糖尿病，并控制血糖長達120天，這些包裹的胰島細胞在體內能響應血糖變化并且分泌胰島素，將裝置取出后，組織切片表明胰島細胞在裝置中存活良好，表達β細胞的標志物如胰島素、C肽和轉錄因子NKX6.1 （如圖2）。進而，研究者在免疫功能健全的糖尿病小鼠模型中，用裝置遞送人干細胞來源的胰島細胞也能恢復正常血糖，進一步證明了裝置的免疫隔離作用及功能。

　　圖2. 人干細胞來源的胰島細胞在裝置中存活120天，且表達胰島細胞特異性標志物。

　　為了證明該裝置臨床應用的可行性，該團隊擴大了裝置的尺寸，利用腹腔鏡微創技術，將載有人干細胞來源胰島細胞的裝置遞送到實驗狗的腹腔中，兩周后再次利用腹腔鏡能成功地將裝置完整地取出，幾乎沒有組織粘黏。同時能觀察到裝置中仍有表達胰島素的胰島細胞存活，證明了該項技術的臨床應用潛力。

　　圖3. 載有人干細胞來源胰島細胞的裝置在大動物模型中的應用。(A)利用腹腔鏡將裝置移植到大動物體內，(B)利用腹腔鏡將裝置從大動物體內取回。

　　康奈爾大學馬明林教授及華盛頓大學Jeffrey Millman教授為該論文的共同通訊作者，馬明林團隊長期研究和開發具有安全性、功能性、生物相容性界面的免疫隔離裝置，Jeffrey Millman團隊分化并提供人干細胞來源的胰島細胞，第一作者為康奈爾大學博士生王茜，同時基于該研究申請了兩項美國和世界ZL保護。