持续氧合大封装系统实现高密度胰岛素分泌细胞的存活与功能维持

本研究针对1型糖尿病(T1D)细胞治疗中封装系统缺氧的关键难题，开发了一种结合微型植入式电化学氧发生器(iEOG)和线性细胞袋的BEAM系统。该系统通过电解组织水分实现持续可控供氧，支持60,000 IEQ/mL的高密度胰岛封装，在1% O2条件下维持细胞活性和功能。大鼠模型显示氧合系统可实现长达3个月的糖尿病逆转，为临床级无免疫抑制细胞疗法提供了创新解决方案。

　　

在治疗1型糖尿病(T1D)的探索中，细胞替代疗法展现出治愈潜力，但长期免疫抑制的毒副作用成为临床转化的主要障碍。封装技术通过物理隔离免疫攻击成为理想解决方案，然而缺氧问题始终制约着该技术的发展——胰岛β细胞具有极高的氧耗率(2.1 pmol/min/IEQ)，而皮下移植部位氧分压常低于10 mmHg，加之纤维囊形成进一步阻碍氧扩散。传统化学供氧材料持续时间短，而经皮充氧装置又存在操作繁琐、体积庞大等问题，使得临床所需的高密度胰岛封装(300,000-770,000 IEQ)难以实现。

针对这一系列挑战，来自康奈尔大学的研究团队在《Nature Communications》发表了突破性解决方案。他们创新性地将微型植入式电化学氧发生器(iEOG)与线性核心-壳结构细胞袋结合，开发出生物电子辅助封装(BEAM)系统。该系统通过电解组织水分实现持续可控供氧，支持60,000 IEQ/mL的高密度胰岛封装，在1% O₂条件下成功维持细胞活性和功能。糖尿病大鼠模型显示，氧合系统可实现长达3个月的血糖正常化，为临床转化提供了关键技术支撑。

研究团队运用三项核心技术：1) 开发尺寸仅13mm×3.1mm的iEOG，通过膜电极组件(MEA)技术实现稳定电解产氧(2.3 scc/h)，理论可支持740,000 IEQ；2) 设计边缘自由的圆形PEBAX纤维细胞袋，采用硝酸镍骨架增强抗变形能力，并通过海藻酸盐浸渍实现免疫隔离；3) 建立标准化细胞加载流程，在300-500μm薄层水凝胶中实现高密度胰岛均匀分布。

【设计制造BEAM系统】研究团队开发的v2 iEOG在11mA电流下可稳定工作2.5年，氧产量满足临床需求。细胞袋采用同轴设计，内层硅胶管输送氧气，外层海藻酸盐-电纺膜提供免疫保护，这种结构既优化了物质传输，又通过增加表面积实现可扩展性。力学测试显示封装袋拉伸强度>8MPa，断裂应变>23%，满足植入要求。

【体外氧合效果验证】在1% O₂条件下，未氧合组INS-1细胞聚集体24小时内出现明显凋亡，而接受270μA电流氧合组细胞存活率>90%。人胰岛实验显示，氧合组在72小时后仍保持正常胰岛素分泌功能(28mM葡萄糖刺激下1025.5±172.2 μIU/h)，GSIS实验证实其功能接近常氧培养组。

【动物实验验证】在STZ诱导的糖尿病SD大鼠模型中，连接iEOG的封装系统使9/9动物3天内恢复血糖正常，最长维持88天。IPGTT显示氧合组糖耐量与健康大鼠无差异(AUC p=0.9964)，而未氧合组始终维持高血糖状态。组织学分析证实氧合组胰岛结构完整，胰岛素/胰高血糖素染色阳性，而未氧合组出现大面积细胞死亡。

这项研究的突破性在于首次实现长期、可控的体内氧合，解决了封装技术临床转化的关键瓶颈。BEAM系统的创新设计带来三重优势：1) 持续电解供氧突破化学材料的时效限制；2) 高密度封装(4200 IEQ/cm²)使临床所需剂量(400,000-700,000 IEQ)可在信用卡大小设备中实现；3) 线性结构支持微创植入。研究还发现氧需求具有动态性，提示未来可开发"按需供氧"智能系统。该技术不仅适用于T1D治疗，还可拓展至其他高代谢细胞疗法，为再生医学提供通用平台。