胰岛纯化可以提高移植物植入量、提高安全性、减少移植物免疫原性、便于免疫调节。未纯化或部分纯化胰腺组织匀浆尽管在胰腺自体移植中获得胰岛素非依赖的成功,但在早期异体胰岛移植效果令人失望。研究表明未纯化人胰腺组织制备物含有90%以上的外分泌组织,植入后产生严重并发症,包括脾梗死、脾包膜撕裂、食管静脉出血、DIC、高血压、门静脉血栓形成、门脉高压、肝梗死、肝衰竭、甚至死亡。大量未纯化组织进入肝脏直接形成栓塞,同时外分泌组织消化后释放促凝血酶也可进一步促进栓塞形成,从而导致门脉压力增高。上述研究均表明植入未纯化人胰腺组织不安全,提示胰岛纯化对于提高胰岛植入量,减少移植物免疫活性非常必要。早期研究发现移植物制备过程中加入肝素和抑肽酶可以减少DIC的发生。研究表明胰岛纯化、浓缩移植胰岛细胞体积在10ml以内、小剂量肝素化、胰岛灌注时检测门脉压力可以减少门静脉血栓形成。

供体组织来源

我国曾采用短期培养的人胎儿胰岛组织,胎儿均系合法终止妊娠,水囊引产,在分娩后1~2小时内即完成胎胰组织培养步骤。供体组织的来源与制备过程将直接影响可供移植的胰岛组织的质量,也是决定胰岛移植成败的关键。人胎胰岛组织丰富,腺泡组织分化差,不做胰岛分离亦可供移植,移植后可保持其正常的生长发育能力,因此,人胎儿胰腺是胰岛移植较理想的供体组织。水囊引产是通过机械性与物理性刺激诱发妊娠子宫收缩而导致分娩,对胎儿组织无任何毒副作用,故对保证胎胰质量比任何药物引产为优越。胎胰组织培养不仅可促进胚胎胰岛发育成熟,腺泡组织快速退变,而且可使胰岛的免疫原性减低,并有利于供体组织的积聚与保存,以及进行无菌性、形态学与功能试验以及组织配型,故组织培养似为供体胰岛组织理想的制备方法。国外近年来均采用纯化的成人胰岛作为供体。

组织培养

将引产胎儿常规消毒后,在无菌条件下剖腹摘取胰腺,置于冰冷无菌的Hanks液中漂洗,仔细清除包膜、血管等胰外组织,称取胎胰重量。将胎胰剪成约1mm3大小碎片,置RPMI 1640培养液中(含葡萄糖11. 1mmol/L),培养液内加有10mmol/L HEPES,20%新生牛血清与庆大霉素40U/ml,pH 约7. 2,在37℃恒温,95%空气、5%二氧化碳的湿化环境、二氧化碳培养箱内培养,隔日调换培养液。

人胎胰腺组织培养中,淀粉酶在第5日培养液内与胎胰组织内均已不可测得,胰岛素含量在培养第4~10日逐渐减少,胰岛素释放试验证明胰岛β细胞具有良好的分泌功能。组织学检查显示人胎胰组织在培养1~2日后腺泡细胞坏死退变,细胞核固缩、消失,细胞质嗜酸,细胞分界不清,有时偶见细胞碎片。腺管样组织在培养1~2日已见形成,3~6日逐渐增多,胰岛细胞团增大,胰岛细胞亦有散在或呈条索排列,免疫组化染色显示有胰岛素阳性细胞团与散在的胰岛素阳性细胞。

胰岛消化分离与培养

人胎胰岛分离纯化

人胎和成人胰岛是目前国内外应用于临床胰岛移植最普遍的移植物材料。胡远峰等报道人胎胰组织经胶原酶分级消化,可获得分散较好的细胞与细胞团,细胞得率为0. 6~1. 2×105/mg胎胰组织,活率85%以上,培养24小时后,胰岛细胞与胰岛样细胞团(ICCs)疏松地黏附于成纤维细胞层上,收集ICCs再培养,采用转皿与碘乙酸相结合的方法,消除成纤维细胞,可获得较纯净、成活、功能良好的人胎胰岛细胞,在体外可维持生长与功能21天以上。有报道,于培养第3天收集ICCs,置于含有牛角膜基质的培养皿中培养,即可建立富含β细胞而无成纤维细胞的单层。

成人胰岛分离纯化

很多学者报道的成人胰腺胰岛分离方法,如撕碎、切细、用针抽吸及通过组织浸解器(macerator)等均易损伤胰岛,且终止消化一般仅凭主观估计,往往导致一部分胰腺消化不足,而另一部分则已消化过度。Ricordi等1988年建立了成人胰岛自动分离法,通过自动化装置从成人胰腺分离胰岛,将胶原酶溶液通过胰管注入胰腺内,胰岛在恒温消化过程中逐渐释出,避免了胶原酶对胰腺的过度消化,同时还由于人为干预少,大大降低了污染率,胰岛获得率很高且对胰岛损伤作用很小,已从胰腺中游离出来的胰岛及时被分离出来,从而避免过度消化造成胰岛损伤。Ricordi方法的关键是最小的机械损伤和持续胶原酶消化,胰岛释放而避免过度消化。嗣后,不少研究者对其做了一些改进,现已为成人胰岛分离的经典方法被广泛应用。主要是通过蠕动泵经胰管灌注胶原酶于胰腺后,放置在不锈钢消化室内分离,加入胶原酶溶液充满消化室,37℃恒温振荡消化。当消化样品中胰岛与外分泌腺分离,终止释放酶活性,通过冷却和加入人血清白蛋白终止消化酶反应。胰岛制备物的纯化采用Ficoll密度梯度离心法。组织沉淀放入连续密度梯度Ficoll液,Cobe 4℃1800转/分离心10分钟,密度梯度分离结束后,组织分离成胰岛和外分泌不同比例部分。Ricordi等采用上述方法,每个胰腺可获得>400 000个胰岛,同时用Cobe连续密度梯度离心机,极大地提高了纯化效率,纯度可达90%~95%。基于Ricordi的连续消化策略(continuous digestion device),后人建立了自动化细胞提取系统(automated cell extraction system),通过计算机系统控制灌注压力、胶原酶温度、酶释放的速率和一次性使用的管道系统,标准化控制消化过程,实时监控,调整消化温度和pH值等参数进一步提高胰岛得率。

由于胰岛分离后混有较多的外分泌腺体组织,纯化步骤至关重要。人类胰岛纯化难度非常大,因为无论是腺泡还是胰岛的密度与直径,个体差异很大。胰岛直径15~500μm不等,胰岛和腺泡组织直径与胰岛分离过程中胶原酶消化密切相关。由于组织大小的波动和重叠,无法用速度梯度沉淀离心方法分离胰岛,只能用等密度离心方法。腺泡组织密度受多种因素影响:腺泡细胞分泌状态,胰腺胶原酶消化后组织的聚集状态,细胞的肿胀和水肿。近期研究表明腺泡组织的肿胀和水肿是影响腺泡密度的重要因素。机械损伤、低温均可导致腺泡肿胀,胶原酶消化影响细胞膜通透性可导致细胞水肿。目前主要使用密度梯度离心法分离纯化。总体来说,优化密度梯度纯化的技术包括物理和化学两种方法。实验表明BSA纯化人胰岛在4℃和22℃无差异,而4℃纯化在猪胰岛更有效,提示温度影响纯化。理论上连续密度梯度比非连续密度更为有利。可以通过COBE 2991建立大量的连续梯度密度纯化。研究表明COBE 2991连续梯度密度比非连续梯度密度提高胰岛得率26%,同时也提高了胰岛活率。

啮齿类动物研究发现,在密度梯度离心之前将胰腺消化产物在UW液中洗涤,可以提高胰岛纯化。在人类胰岛分离研究中也发现如此,一些研究发现将胰腺消化产物UW液4℃保存1小时以上,再密度梯度离心可以进一步提高纯化。UW保存液的好处可能与细胞外的阴离子、乳糖醛酸盐、羟乙基淀粉胶体相关。羟乙基淀粉(HES)是从玉米淀粉中提取的化合物,同人体白蛋白相似,且克服了白蛋白的免疫原性和硅胶颗粒粗糙的缺点,可保证血管间隙不塌陷,结缔组织结构完整。UW液早期用于胰腺保存,现在是多个中心进行腹腔多器官获取的经典灌注液。近几年,一些新研究方法,如Celsior,去除胶体成分的组织间液,早期用于心脏保存,在欧洲逐渐成为腹腔多器官获取的经典灌注液。临床前期研究认为在肺、肝、肾移植UW液与Celsior液无差异,但对于胰岛移植尚存在争议。

目前最常用的人类胰岛分离密度介质是聚蔗糖液(Ficoll)、Euroficoll、Ficoll泛影酸钠液和小牛血清蛋白。胰岛纯化的密度梯度离心介质进展将集中于如何通过生化复合物建立连续密度梯度离心介质,关键在于不影响胰岛得率和活率的前提下对腺泡组织肿胀影响最小。

尽管研究提高了消化酶、胰管酶输注、自动化分离操作系统、密度梯度离心技术,胰岛分离纯化依然费时、费力、困难重重。即使准备充足,胰岛分离依然仅获得胰岛的20%~50%。对于供体因素对胰岛分离影响的研究也有许多进展。临床研究表明年龄超过20岁、高体重指数、轻度血糖升高、无心脏停搏或严重低血压的供体可以获得较高的胰岛得率和活率。严格筛选供体,外科团队经验,供胰获取技术和最短冷缺血时间对于胰岛分离和移植后胰岛素非依赖均非常重要。

热缺血时间对胰岛组织损伤最大,应尽可能避免。供胰获取操作中尽快原位冷却以缩短热缺血时间和稳定内源性胰酶活性。同样冷缺血时间也应达到最短。在许多国家原位血管灌注UW液是供体器官移植手术的常规。UW液可以保护胰岛,提高冷缺血时间,但冷缺血时间一般不超过12小时,尽快运输胰腺到胰岛分离实验室以缩短冷缺血时间。

冷缺血时间显著影响胰岛得量,因而加拿大艾伯塔大学用充氧全氟化碳和UW液双层充氧方法保存胰腺,明显延长冷缺血时间和增加胰岛得量,使12小时的冷缺血时间内获得成功胰岛分离。双层充氧保存法通过增加供氧而减少冷缺血保存过程中细胞的损伤,已被作为胰腺供体保存的标准方案。全氟化碳是氟取代氢的碳氢化合物,可以溶解较高浓度氧而保持低氧结合,使氧释放比血红蛋白释氧快速。然而近年有研究认为该方法作用有限,因为氧气对胰腺组织渗透性仅为1cm(约为胰腺直径的15%),一般认为仅在8小时内两层充氧方法保存可明显增加胰岛得量和分离的成功率。

影响胰岛细胞生长的因素

胡远峰等对人胎儿胰腺组织培养中可能影响胰岛β细胞生长因素的研究资料显示在RPMI培养基中增加6倍氨基酸,人血清或人脐带血清代替新生牛血清等,均有利于人胎胰岛生长与β细胞功能的维护。不同培养方法和培养液比较结果表明胰腺组织气液界面培养较悬浮培养为佳,RPMI 1640较TCM 199培养基为优。在培养液中添加人生长激素(hGH)或胰岛素样生长因子(IGF-Ⅰ、Ⅱ),均可促进人胎胰岛细胞DNA复制,增加胰岛素合成与分泌,增强葡萄糖介导的胰岛素分泌反应。在人胎胰岛细胞培养中添加烟酰胺(NAA),通过抑制多聚ADP核糖合成酶(poly ADP ribose synthetase),可增加ICCs的获得率与β细胞内胰岛素含量,使胰岛素阳性细胞倍增。

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