Bridging scale-up to transplantation: pluripotent stem cell-derived pancreatic islet encapsulation in emulsion-generated high concentration alginate beads

1型糖尿病是一种由于身体的免疫系统错误地破坏了胰腺中产生胰岛素（一种调节血糖的关键激素）的特定细胞而导致的疾病。由于失去了这些细胞，患者必须依赖每日注射胰岛素才能生存。几十年来，科学家们一直在寻找一种替代这些流失细胞的方法，希望能恢复人体自然调节葡萄糖的能力。一个充满希望的研究方向涉及利用干细胞创造新的胰岛素生成细胞，干细胞是能够转化为许多不同类型组织的未成熟细胞。然而，将这些干细胞转化为具有功能的类胰岛细胞团块仅仅是成功的一半。为了能为许多患者提供治疗价值，这些细胞必须大规模培养，而这个过程往往会导致它们聚集成巨大的、不健康的肿块，或者因维持其在实验室中存活所需的运动而受损。此外，一旦生长完成，这些细胞需要受到保护以抵御患者的免疫系统，防止排斥反应，而这通常需要患者终身服用强效药物。

麦吉尔大学的一个研究小组开发出一种新方法来同时解决这些问题。他们创建了一种方法，将干细胞衍生的胰岛细胞生长在由一种名为海藻酸盐（一种源自海藻的天然物质）制成的微小保护性球体中。通过在这些细胞完全成熟之前将其置于这些球体内，研究人员发现，他们可以在搅拌罐中大规模培养这些细胞，而不会导致细胞粘连在一起或因运动产生的机械压力而死亡。更重要的是，这些保护性的球体使细胞在移植到小鼠体内后仍能存活并发挥功能数月之久，且无需动物服用免疫抑制药物。这项工作表明，这为实现可扩展的制造工艺提供了一条路径，该工艺最终可以生产出足够数量的细胞来治疗许多人，同时确保细胞免受人体防御机制的侵害。

这段旅程始于一个特定的挑战：如何大规模培养干细胞衍生的胰岛细胞。在实验室中，这些细胞通常在液体悬浮液中生长，通过不断移动来确保它们获得足够的氧气和营养。虽然这种方法适用于小批量生产，但要扩大到人类治疗所需的规模，细胞就会发生碰撞并融合形成巨大的、不规则的团块。这些团块变得太大，导致营养无法到达中心，从而导致细胞死亡。此外，搅拌产生的物理力量也会损坏脆弱的细胞。研究人员假设，如果他们能在过程早期将每个小细胞团块包裹在一个保护壳内，就能防止它们融合在一起，并保护它们免受大规模生物反应器中剧烈运动的影响。

为了测试这一点，团队首先将人类干细胞培养成开始呈现胰岛特征的细胞团块。然后，他们使用一种涉及油和水的工艺创建了数千个微小的液滴，每个液滴都包含一组悬浮在液体海藻酸盐溶液中的细胞。通过添加特定的化学触发剂，他们将这些液体液滴变成了固体凝胶状的珠子。他们实验了不同强度的海藻酸盐凝胶（从柔软到相当坚硬不等），以观察环境如何影响细胞。他们发现，细胞在所有条件下都能良好存活，但凝胶的硬度确实会影响发育出的细胞类型。在较硬的凝胶中，细胞更有可能成为产生一种称为胰高血糖素的激素的α细胞；而在较软的环境和未封装的组群中，则产生了更多的β细胞（即制造胰岛素所需的特定类型细胞）。尽管存在这些差异，所有组群中的细胞仍然能够感知糖水平并在需要时释放胰岛素。

最重要的测试发生在研究人员将这些封装细胞转移到一个100毫升的生物反应器中时，这是用于工业化制造的大型罐子的缩小版。他们培养了这些细胞25天，这段时间足以观察保护措施是否有效。结果令人瞩目。未封装的细胞在自由漂浮过程中长成了巨大的、融合的团块，并经历了显著的细胞损失，仅剩下约60%的原始细胞。相比之下，封装的细胞保持为清晰、均匀的团块，且91%的细胞在延长的培养期内存活了下来。保护壳成功地防止了细胞粘连在一起，并保护它们免受搅拌运动带来的物理压力。这证明了该方法可以在不损失治疗所需珍贵细胞的情况下实现规模化生产。

为了观察这些细胞是否能在活体内部发挥作用，研究人员将封装的细胞团块移植到了经过基因改造、缺乏免疫系统的小鼠体内，以确保细胞不会受到攻击。研究人员将细胞直接注入小鼠的腹腔内，这是此类研究中的常用部位。结果显示，这些细胞几乎立即开始工作。在一周内，小鼠开始产生人类C-肽——这是一种表明移植细胞正在成功制造胰岛素的标志物。在接下来的98天里，这些细胞持续发挥功能，通过释放胰岛素来响应进食并帮助调节血糖水平。当研究人员在三个月后检查这些细胞时，发现它们健康、具有生命力，并且仍在产生胰岛素，且没有出现通常会毁掉此类移植的瘢痕组织或免疫攻击迹象。

这项研究为实验室创造的干细胞疗法与其实际临床应用之间提供了至关重要的纽带。通过证明这些细胞可以大量培养、受到保护并能成功移植而不立即发生免疫排斥，研究人员解决了该领域的两大难题。所述方法相对简单，不需要复杂的专业设备，这使其成为未来制造的一种切实可行的方法。虽然这些细胞产生的胰岛素量不如放置在肾包膜下（一种用于对比的标准、高度血管化的部位）的细胞多，但它们在腹腔内维持三个月功能的能力是一个重大的进步。这项工作表明，通过进一步改进，这种方法可以成为一种可靠、可扩展的方式，来生产治疗糖尿病所需的数百万个细胞，从而为患者不再依赖每日注射提供了一个潜在的未来。