基于生物素-亲和素系统通过细胞表面涂层技术改善生物微囊化胰岛氧供的探索研究

Islet transplantation is a great potential approach to cure type 1 diabetes. Serious issues, however, still remain in the clinical application of islet transplantation, such as side effects of immunosuppressive drugs and shortage of human donors. Therefore, there is an urgent need to develop safer and more effective method for islet transplantation. Biomicrocapsules are expected to overcome barriers in islet transplantation, which makes it possible to mimic normal physiological secretion of insulin. Immunoisolation of transplanted islets, however, leads to a total loss of the vasculature, resulting in substantially decreased delivery of oxygen and nutrients to cells, decreased insulin secretion and subsequent cell death. To conquer oxygen transport limitations, the project intends to explore a novel technology for oxygen supply to immunoisolated islets, which adopts the artificial oxygen carriers to increasing the oxygen supply based on the biotin-avidin system through cell-coating technology. For this purpose, we further seek for a kind of modified perfluorocarbon with good biocompatibility and high ability of carrying oxygen, analyze how the structural factors affect the biocompatibility, ability of carrying oxygen and stabilization. Futhermore, this project explores the best survival ratio of perfluorocarbon modified islet cells in biomicrocapsules, which aimed at improving the oxygen supply and simulating the survival micro-environment in them. Therefore, our study could ensure insulin secretion function of the cells and provide a significant reference for successful clinical application of the biomicrocapsules.

胰岛移植是一种极具潜力治愈１型糖尿病的方法，但现行胰岛移植必须长期应用非选择性免疫抑制剂，存在严重毒副作用以及胰岛供体匮乏极大限制其临床应用。因此，迫切需要开发更为安全有效的胰岛移植方法，其中生物微囊有望克服胰岛移植治疗糖尿病的不足，使模拟生理胰岛素分泌成为可能。然而微囊化胰岛移植的免疫隔离造成血管系统整体中断，导致中心区胰岛细胞缺氧死亡。为进一步解决微囊化胰岛氧供问题，本项目拟基于生物素-亲和素系统，利用细胞表面涂层技术探索人工氧载体增加微囊内细胞氧供的可行性，寻求一种具有良好生物相容性和高载氧能力的改性全氟化碳，分析结构因素对其生物相容性、载氧能力及稳定性的影响，同时掌握上述影响因素的作用规律；进一步明确微囊内改性全氟化碳涂层化胰岛细胞的最佳生存比例，旨在改善微囊内生态氧供微环境，实现胰岛细胞生存微环境高度仿真性，从而保证胰岛细胞的分泌功能，为生物微囊作为人工胰腺成功应用临床奠定基础。

胰岛移植由于免疫排斥和胰岛供体匮乏极大限制其临床应用，而生物微囊有望克服胰岛移植的不足，使模拟生理胰岛素分泌成为可能。但是微囊化胰岛移植免疫隔离造成血管系统整体中断，导致中心区胰岛细胞缺氧死亡，影响了生物微囊的发展。为进一步解决微囊化胰岛氧供问题，本项目基于生物素-亲和素系统，利用细胞表面涂层技术探索人工氧载体增加微囊内细胞氧供的可行性。研究团队首先筛选并制备了具有良好生物相容性和高携氧能力的改性全氟化碳PFH/PLGA@NPs，对其制备工艺进行了优化。基于海藻酸钠制备了AB微囊，所制备的微囊呈球形，具有适度的囊膜强度、良好的稳定性。为了降低微囊的免疫原性，我们在前期工作的基础上将聚合物PLL-g-PEG通过静电相互作用涂附到AB微囊表面，形成ABPP微囊，该新型生物微囊具有低细胞毒性，与RAW 264.7细胞共培养后CD86+阳性细胞较少、促炎因子水平显著降低，说明所制备的ABPP微囊具有较低的免疫原性，能较大程度避免移植后的局部组织炎症反应。通过表面涂层技术构建了高溶氧的Cell-NPs-ABPP微囊化胰岛生态系统，进一步总结了微囊内氧气容量和消耗之间的关系以及氧浓度变化规律，实现了微囊化胰岛生态微环境氧供的最大化。基于这种高溶氧的微囊化胰岛生态系统，我们的结果显示微囊内胰岛细胞能维持良好的细胞活力。AO/PI双染结果显示，缺氧条件下培养7天，微囊内仍可见较多的AO染色阳性细胞，说明即使处于长时间的缺氧，囊内胰岛细胞仍能保持良好的细胞存活率。进一步的研究发现，在缺氧环境下，新型微囊化胰岛生态系统在高糖浓度的刺激下仍能表现出胰岛素分泌模式与释放行为。因此，所制备的功能化微囊胰岛生态系统改善了囊内氧供微环境，成功保证了囊内胰岛细胞的胰岛素分泌功能，实现了胰岛细胞生存微环境高度仿真性。本研究为生物人工胰腺的发展开辟了一条新途径，同时也为糖尿病的胰腺移植治疗提供了新思路。

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