An inverse-breathing encapsulation system for cell delivery

用于細胞遞送的逆呼吸封裝系統

來源：Wang et al., Sci. Adv. 2021; 7 : eabd5835 14 May 2021

 

一、摘要概述

 

本研究開發了一種“逆呼吸”（inverse-breathing）細胞封裝系統（iBED），通過 CO?響應性供氧機制 解決移植細胞（如胰島）在皮下低氧環境中的存活問題。核心創新點在于：

 

自調節供氧：利用細胞代謝廢物CO?與過氧化鋰（Li?O?）反應生成O?（反應式：2Li?O? + 2CO? → 2Li?CO? + O?），實現按需供氧。

物理隔離設計：Li?O?/全氟化碳（PFC）混合物封裝于氣體可透硅膠管內，與細胞水相環境分離，避免副反應。

長效性驗證：優化后的裝置（iBEDv3）在糖尿病小鼠皮下植入中維持血糖正常化>3個月，并在小型豬模型中實現2個月功能性胰島存活。

 

二、研究目的

 

解決缺氧瓶頸：克服皮下移植中O?擴散不足導致的胰島細胞死亡（皮下pO?<25 mmHg vs. 胰島需求40-60 mmHg）。

開發自調節供氧系統：利用細胞自身CO?廢物驅動O?生成，避免外部干預。

驗證臨床可行性：在免疫活性動物模型中實現長期糖尿病逆轉。

 

三、研究思路

 

采用 “原理驗證→裝置優化→動物實驗” 遞進策略：

 

原理驗證（圖1）：

 

構建Li?O?/PFC@硅膠管反應體系，通過Unisense電極（Clark電極）驗證CO?刺激下的O?釋放（圖1E-G）。

在1% O?低氧培養中，iBED顯著提升INS-1細胞和大鼠胰島存活率（圖2B-G）。

 

裝置迭代：

iBEDv1（圖3）：增加儲氧罐延長供氧時間，小鼠血糖維持15-20天。

 

iBEDv3（圖6）：螺旋硅膠管設計提升氣體擴散效率，計算模型優化O?分布（圖4）。

 

動物驗證：

小鼠模型：iBEDv3實現>3個月血糖正常化（圖6J），胰島功能完好（圖6K-L）。

 

小型豬模型：異種移植2個月后胰島存活且功能完整（圖7G-H）。

 

 

四、關鍵數據及研究意義

1. CO?響應性O?釋放（圖1E-G）

 

數據來源：Unisense電極實時監測O?濃度，CO?通氣后O?迅速上升至180 mmHg（圖1F）。

意義：證實“逆呼吸”核心機制，為自調節供氧提供直接證據。

 

2. 低氧環境下細胞存活（圖2）

 

數據來源：

活/死染色顯示iBED組細胞存活率提升2.7倍（圖2B-C）。

缺氧標記物pimonidazole在對照組胰島高表達，iBED組幾乎無表達（圖2D-E）。

意義：iBED有效緩解細胞缺氧應激，維持代謝功能。

 

3. 動物血糖調控（圖3E, 圖6J）

 

數據來源：

iBEDv1小鼠血糖維持16-20天（圖3E），iBEDv3延長至>90天（圖6J）。

葡萄糖耐量試驗（IPGTT）證實iBEDv3組胰島功能正常（圖6K）。

意義：自調節供氧系統顯著提升移植療效，推動臨床轉化。

 

4. O?空間分布（圖5）

5. 

 

數據來源：電子順磁共振成像（EPR）顯示iBEDv3在凝膠中形成60-80 mmHg O?梯度，近硅膠管處最高（圖5H）。

意義：可視化O?擴散路徑，指導裝置幾何優化。

 

5. 大型動物驗證（圖7）

 

數據來源：小型豬皮下植入iBEDv3S 2個月后，胰島結構完整且胰島素陽性（圖7G-H）。

意義：證明系統在臨床近似環境中的可行性。

 

五、結論

 

創新供氧機制：首次實現CO?驅動的自調節O?生成，突破傳統供氧技術局限。

裝置長效性：iBEDv3在小鼠皮下維持>3個月血糖正常，胰島存活率80%。

跨物種適用性：小型豬異種移植中胰島存活，為臨床人胰島移植鋪路。

設計普適性：可擴展至其他缺氧敏感細胞療法（如干細胞移植）。

 

六、丹麥Unisense電極數據的詳細解讀

1. 技術原理與實驗設計

 

原理：Unisense Clark電極通過鉑陰極還原溶解O?產生電流信號，靈敏度達 nM級（圖1C）。

實驗設計：

將Li?O?/PFC@硅膠管浸入脫氧緩沖液，交替通入N?/CO?（圖1C）。

實時監測O?濃度變化，驗證CO?觸發O?釋放的動力學（圖1E-G）。

 

2. 關鍵結果與意義

 

CO?響應性（圖1E-G）：

CO?通氣后O?濃度從0驟升至180 mmHg（圖1F），證明Li?O?高效轉化CO?為O?。

對照組（Li?CO?/PFC）無O?生成（圖S2），排除假陽性。

生物學意義：

實時動力學證據：直接捕捉氣體擴散與反應速率，為“逆呼吸”機制提供核心支撐。

安全性驗證：O?釋放嚴格依賴CO?刺激，避免持續供氧導致的氧化損傷風險。

技術優勢：

高時空分辨率：秒級響應揭示氣泡形成動態（圖1F箭頭），明確反應發生于氣-固界面。

微量化檢測：適用于微型生物反應器（如硅膠管腔）的局部O?監測。

 

3. 對裝置優化的指導作用

 

測得O?釋放峰值（180 mmHg）遠超生理需求（40-60 mmHg），提示需控制反應速率以避免氧毒性 → 驅動后續PFC緩釋設計（降低水滲透）。

通氣切換后O?快速回落（圖1G），表明系統具備 自反饋調節能力 → 支持“按需供氧”假說。

 

七、研究突破與局限

 

突破：

 

首例CO?驅動細胞供氧系統：將代謝廢物轉化為資源，實現閉環調控。

跨尺度驗證：從分子反應（電極數據）到大型動物實驗，數據鏈完整。

局限：

Li?O?儲量有限（臨床需定期補充），未來需設計可充填裝置。

未評估長期免疫排斥反應（尤其異種移植）。

 

圖表示例說明：

 

圖1：CO?響應性O?釋放實驗設計及Unisense電極數據。

圖2：iBED提升低氧下細胞存活。

圖4：計算模型優化O?分布。

圖6：iBEDv3長期糖尿病治療效果。

圖7：小型豬移植結果。