导语
糖尿病（DM）是一种以胰岛损伤为特征的代谢性疾病，治疗常依赖胰岛素注射。然而，外源性胰岛素虽能暂时稳定血糖，但频繁注射带来沉重负担，并可能引发并发症。胰岛移植作为替代策略，面临供体短缺和长期免疫抑制的挑战。为解决这些问题，研究者开发了封装胰岛/胰岛细胞的生物材料支架，以重建胰岛功能。尽管取得了一定进展，但长期存活和胰岛素持续分泌仍受免疫攻击和营养供应不足的制约。微流控技术凭借其精确的流体操控能力，已用于生产可定制结构的水凝胶。这些微凝胶能够促进氧气和营养物质交换，并具备封装其他药物以调节细胞命运的适应性结构特征。尽管如此，准确模拟天然胰岛的完整结构仍具挑战，如血管化不足等缺点限制了微凝胶的功能。为克服这些限制，本文通过胰岛和内皮细胞共培养，构建了独特的血管化人工胰岛，旨在建立仿生人工胰岛模型，为糖尿病治疗提供新方案。
关键词：仿生人工胰岛模型，微流控，血管化，水凝胶，糖尿病
工作亮点
本文研发了一种基于微胶囊的仿生人工胰岛模型，该模型集成了微血管网络，并采用微流控高压静电喷雾技术，实现了对血糖水平的精细调控。通过微流控方法，研究者生成了具有均匀核壳结构的水凝胶微胶囊，用于封装胰岛细胞。这些充满细胞的微胶囊不仅能够高效地递送营养物质、氧气和胰岛素，还通过与微血管的结合，极大地促进了葡萄糖的响应和分子间的交换。通过体内实验的验证发现，在植入胰岛微胶囊后，糖尿病小鼠模型的血糖水平、食物摄入量和体重均得到了显著的改善，并且糖耐量也有所提高。为了进一步验证胰岛模型的功能，作者还采用了组织学等技术，深入探讨了移植胰岛模型在胰岛素分泌和免疫逃逸方面的改进效果。这些实验结果为血管化微胶囊作为仿生人工胰岛模型的前景提供了强有力的支持，并突显了其在糖尿病治疗领域的重要价值。这一创新技术不仅为糖尿病患者提供了新的治疗选择，也为未来的医学研究开辟了新的方向。
设计仿生人工胰岛模型的血管化微胶囊
仿生人工胰岛模型（v-MCs）的设计示意图如图1所示。通过微流控高压静电喷雾技术制造微胶囊，使用同轴嵌套玻璃毛细管装置，其中海藻酸钠(ALG)溶液流经外管，含胰岛β细胞MIN6细胞的羧甲基纤维素(CMC)溶液流经内管。在高压静电的作用下，两相流体在出口处形成均匀的核壳液滴。通过调整电压、距离和流速，可控制微胶囊直径，并展现出良好的单分散性。光学显微镜下的微胶囊呈现透明外壳和均匀球形（图2(a)），SEM图像进一步证实其核壳结构（图2(b)），显示细胞被封装在内。水凝胶外壳提供物理屏障，保护细胞免受免疫攻击。为建立血管结构，使用HUVEC和NHLF在纤维蛋白原基质中共培养，形成丰富的微血管网络。进一步将封装MIN6细胞的微胶囊与HUVEC和NHLF共培养，第3天观察到细胞遍布微胶囊（图3(a), (b)），表明微胶囊具有显著的血管化结构。
图1 仿生人工胰岛模型（v-MCs）示意图。使用微流控高压静电喷雾策略制造微胶囊，并予以血管化处理。微胶囊允许营养物和氧气的通过，以及胰岛素释放，同时阻碍宿主免疫细胞的攻击。将v-MCs移植到糖尿病小鼠的背部棕色脂肪组织上，v-MCs分泌胰岛素以控制血糖
图2 基于微流控策略的微胶囊表征。(a) 在光镜下观察装载 MIN6 细胞的微胶囊。比例尺为 500 μm；(b) 在扫描电镜下观察装载有 MIN6 细胞的微胶囊。在(i) 中的比例尺为 200 μm，(ii) 中的比例尺为 10 μm
体外活力和胰岛素分泌功能
为了验证v-MCs的细胞相容性，作者在不同培养条件下评估了胰岛细胞的存活率和增殖能力。通过CAM/PI染色（图3(c)），证明了其良好的生物相容性。在评估v-MCs的葡萄糖反应性时，进行了葡萄糖刺激胰岛素分泌（GSIS）测定。结果显示，与基础水平相比，v-MCs在刺激下胰岛素分泌增强，高于对照组和MC组（图3(d)）。这一发现表明，微胶囊的3D培养环境可能促进了胰岛β细胞的胰岛素分泌功能。
图3 v-MCs的形态和功能。(a) v-MCs在荧光显微镜下的形态。细胞被 Calcein AM 染成绿色，比例尺为 500 μm；(b) v-MCs的明场图像，比例尺为 500 μm；(c) 第 0、1、2 和 3 天微胶囊的显微图像（Calcein AM/PI 染色），比例尺为 200 μm；(d) 通过 GSIS 测定v-MCs的胰岛素分泌。Ctrl：平面培养对照组；MCs：微胶囊组；v-MCs：血管化仿生人工胰岛模型组
体内移植和血糖控制
为了探究v-MCs的血糖控制功能，本研究在糖尿病小鼠模型中进行了全面评估。通过体内成像系统（IVIS），作者将构建的v-MCs移植到糖尿病小鼠的背侧棕色脂肪组织中，该移植部位因其抗炎作用为移植物提供了部分免疫保护。结果显示，移植v-MCs的糖尿病小鼠在3天内血糖显著改善，并在随后28天内维持正常血糖水平，明显优于移植MCs或裸胰岛细胞组（图4(b)、5(c)）。此外，v-MCs组的食物摄入量和体重也恢复正常，表明其有效改善了小鼠的代谢状态（图4(c)、4(d)）。在葡萄糖耐量试验中，v-MCs组小鼠的血糖上升趋势较对照组平缓，进一步验证了其良好的糖尿病治疗效果（图4(e)）。
图4 v-MCs的移植及其治疗作用。(a) 实验分组示意图；(b-d)连续监测不同组的(b)血糖水平、(c)体重和(d)食物摄入量(n=5)；(e) 移植后第28天接受IPGTT的糖尿病小鼠的葡萄糖耐量 (n=5)，**p < 0.01。Healthy：健康对照组；DM：糖尿病组；MCs：微胶囊组；v-MCs：血管化仿生人工胰岛模型组
总结与未来展望
本文通过微流控策略，开发出了一种血管化微胶囊，作为仿生人工胰岛模型（v-MCs），并用于血糖控制。该微胶囊的设计灵感来源于天然胰岛的血管网络结构，具有独特的核壳结构，使得营养物质和氧气能够顺利进入，同时有效保护封装的胰岛细胞免受宿主免疫细胞的攻击。此外，v-MCs还具备葡萄糖响应和分子交换的能力。通过在小鼠模型中进行移植实验，发现v-MCs能够显著改善糖尿病小鼠的血糖水平、食物摄入量和体重，并有效提高糖耐量，显示出其作为治疗糖尿病的有效潜力。进一步的组织学分析验证了v-MCs在体内植入的安全性。这些结果表明，仿生人工胰岛模型在治疗糖尿病方面具有重要价值，并且其未来的应用前景在再生医学和组织工程领域尤为广阔，值得进一步的研究和期待。
本研究得到了国家自然科学基金重大国际（地区）联合研究计划（82320108003）、国家自然科学基金（82170845、82000740、81970717）、江苏省重点研发计划（No.BE2022853）和医学重点学科（ZDXK202203）的资助。
作者简介
李静波 第一作者
博士研究生，就读于东南大学医学院拔尖创新人才培养试点班，研究方向为内分泌与代谢，从事胰岛再生和组织工程学研究。
李玲 通讯作者
德国医学博士、美国UCLA博士后，主任医师、教授、博士生导师，东南大学胰腺研究所所长、糖脂代谢研究中心主任，东南大学附属中大医院院长助理、内分泌科主任，中华医学会糖尿病学分会青年委员，中国医师协会内分泌代谢科医师分会委员，江苏省医学会糖尿病分会副主任委员，中国研究型人才、江苏省中青年领军人才。国家工信部5G+健康医疗课题负责人，国家科技部重点研发干细胞专项子课题负责人，主持国家自然基金-重点国际合作等项目6项、江苏省重点研发计划项目2项（临床前沿技术、新型临床诊疗技术）。以通讯作者在Nature子刊等发表SCI论文70余篇，IF＞10分国际权威期刊论文16篇，获F1000 “Exceptional” 推荐。以第一发明人申报/授权国家发明专利10项，以第一完成人分别获国家教育部科技进步二等奖、中华医学科技奖二等奖，江苏医学科技奖一等奖、江苏省新技术引进一等奖，江苏省青年科技奖。
商珞然 通讯作者
研究员，复旦大学生物医学研究院。从事基于微流控技术的生物医学传感材料的构建及应用研究。主持和参与多项国家级和省部级科研项目。
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期刊特色｜Unique Features
01
免费开放获取，免除作者出版费
02
快速发表，文章被接收后24h内上线
03
“未来展望”，展示该研究领域前瞻性专家观点
04
自由格式撰写，排版工作由IOPP承担
期 刊 简 介
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Materials Futures（《材料展望》， ISSN 2752-5724）创刊于2022年，由松山湖材料实验室与英国物理学会出版社（IOPP）联合出版，入选“2022年度中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”、“2023年度广东省高起点英文新刊项目”，2023年3月成为国际出版伦理委员会 (COPE) 成员，现已被ESCI、Ei、Scopus、Inspec、DOAJ、万方等数据库收录，即时影响因子达10.9。期刊致力于打造材料科学领域的高水平综合性期刊，为全球材料领域科学家搭建学术交流与合作平台。刊载范围聚焦结构材料、能源材料、生物材料、纳米材料、量子材料、信息材料、材料理论与计算。
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