植入式装置可以实现糖尿病的无注射控制

治疗1型糖尿病的一种有希望的方法是植入胰岛细胞，这些胰岛细胞可以在需要时产生胰岛素，这将使患者免于频繁注射胰岛素。然而，这种方法的一个主要障碍是，一旦细胞被植入，它们最终会耗尽氧气并停止产生胰岛素。

为了克服这一障碍，麻省理工学院的工程师设计了一种新的植入式装置，它不仅可以携带数十万个产生胰岛素的胰岛细胞，而且还拥有自己的机载氧气工厂，通过分解体内发现的水蒸气来产生氧气。

研究人员表明，当植入糖尿病小鼠体内时，这种装置可以使小鼠的血糖水平稳定至少一个月。研究人员现在希望创建一个更大版本的设备，大约一根口香糖的大小，最终可以在1型糖尿病患者中进行测试。

“你可以把它想象成一个活的医疗设备，由分泌胰岛素的人体细胞以及电子生命支持系统制成。我们对迄今为止的进展感到兴奋，我们真的乐观地认为这项技术最终可以帮助患者，“麻省理工学院化学工程系教授，麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所（IMES）的成员丹尼尔安德森说。

虽然研究人员的主要重点是糖尿病治疗，但他们表示，这种设备也可以用于治疗其他需要重复递送治疗性蛋白质的疾病。

麻省理工学院研究科学家Siddharth Krishnan是该论文的主要作者，该论文今天发表在《 美国国家科学院院刊》上。该研究小组还包括麻省理工学院的其他几位研究人员，包括麻省理工学院大卫·H·科赫研究所教授、科赫研究所成员罗伯特·兰格，以及波士顿儿童医院的研究人员。

更换注射剂

大多数1型糖尿病患者必须仔细监测血糖水平，并每天至少注射一次胰岛素。然而，这个过程并不能复制身体控制血糖水平的自然能力。

“绝大多数依赖胰岛素的糖尿病患者正在给自己注射胰岛素，并尽力而为，但他们没有健康的血糖水平，”安德森说。“如果你看看他们的血糖水平，即使是那些非常致力于小心的人，他们也无法与活胰腺所能做的事情相提并论。

更好的选择是移植细胞，这些细胞在检测到患者血糖水平激增时产生胰岛素。部分糖尿病患者接受了人类尸体移植的胰岛细胞，可以实现糖尿病的长期控制;然而，这些患者必须服用免疫抑制药物，以防止他们的身体排斥植入的细胞。

最近，研究人员在干细胞来源的胰岛细胞上取得了类似的成功，但接受这些细胞的患者也需要服用免疫抑制药物。

另一种可以防止对免疫抑制药物的需求的可能性是将移植的细胞封装在保护细胞免受免疫系统影响的柔性装置中。然而，为这些封装的电池找到可靠的氧气供应已被证明具有挑战性。

一些实验装置，包括已经在临床试验中测试过的装置，具有一个可以为细胞供电的氧气室，但这个室需要定期重新加载。其他研究人员已经开发出植入物，其中包括可以产生氧气的化学试剂，但这些最终也会耗尽。

麻省理工学院的团队采取了一种不同的方法，通过分解水，可以无限期地产生氧气。这是使用位于设备内的质子交换膜完成的 – 该技术最初用于在燃料电池中产生氢气。这种膜可以将水蒸气（在体内大量存在）分解成氢气，氢气无害地扩散出去，氧气进入储存室，通过薄的透氧膜为胰岛细胞提供食物。

这种方法的一个显着优点是它不需要任何电线或电池。分离这种水蒸气需要一个小电压（约2伏），这是使用称为谐振电感耦合的现象产生的。位于机体外部的调谐磁线圈将功率传输到设备内的小型柔性天线，从而实现无线电力传输。它确实需要一个外部线圈，研究人员预计它可以作为患者皮肤上的贴片佩戴。

按需使用药物

在建造了大约美国四分之一大小的设备后，研究人员在糖尿病小鼠中对其进行了测试。一组小鼠接受了带有产生氧气的水分解膜的装置，而另一组小鼠接受了含有胰岛细胞的装置，没有任何补充氧气。这些装置被植入皮肤下，在具有完全功能的免疫系统的小鼠中。

研究人员发现，植入氧气发生装置的小鼠能够维持正常的血糖水平，与健康动物相当。然而，接受非氧合装置的小鼠在大约两周内变得高血糖（血糖升高）。

通常，当任何类型的医疗设备植入体内时，免疫系统的攻击会导致称为纤维化的疤痕组织积聚，这会降低设备的有效性。这种疤痕组织确实在这项研究中使用的植入物周围形成，但该设备在控制血糖水平方面的成功表明胰岛素仍然能够扩散出设备，并将葡萄糖扩散到其中。

这种方法也可用于递送产生需要长时间给予的其他类型的治疗性蛋白质的细胞。在这项研究中，研究人员表明，该装置还可以保持产生促红细胞生成素的细胞存活，促红细胞生成素是一种刺激红细胞生成的蛋白质。

“我们乐观地认为，有可能制造出可以驻留在体内并根据需要生产药物的活体医疗设备，”安德森说。“在各种疾病中，患者需要外源性地摄取蛋白质，有时非常频繁。如果我们能用一个可以长期起作用的植入物来代替每隔一周输液的需要，我认为这真的可以帮助很多患者。

研究人员现在计划使该设备适应大型动物和最终人类的测试。对于人类使用，他们希望开发一种植入物，其大小与一根口香糖差不多。他们还计划测试该设备是否可以在体内停留更长时间。

“我们使用的材料本质上是稳定和长寿命的，所以我认为这种长期操作在可能的范围内，这就是我们正在研究的，”克里希南说。

“我们对这些发现感到非常兴奋，我们相信这些发现可以为有朝一日治疗糖尿病和其他可能的疾病提供一种全新的方法，”兰格补充道。

该研究由JDRF，Leona M.和Harry B. Helmsley慈善信托基金以及美国国立卫生研究院的国家生物医学成像和生物工程研究所资助。