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胰岛的液滴微流体包裹和深度过冷保存的机理及其调控

批准号:
52076157
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
黄海水
依托单位:
学科分类:
能源动力与工程热物理
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
黄海水

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
I型糖尿病是威胁人类健康的重大慢性疾病,胰岛微胶囊是其最有前景的治疗途径之一,其核心挑战是胰岛微胶囊的安全制备及其在体外的长期保存。但现有的微包裹技术难以控制微包裹时的流场,胰岛的形态和活性容易被破坏;由于过冷生物样品中冰晶形成的限制,现有的胰岛保存温度高,保存时间短。因此,结合申请人在流体力学、热力学及生物医学工程中的研究基础,本项目拟:开发三维液滴微流体器件,调控微液滴中的流场分布和微胶囊的运动轨迹,实现胰岛在水凝胶微胶囊中安全高效的包裹;通过油相密封技术,揭示过冷胰岛中晶核形成的规律和机制;通过抑制胰岛过冷保存中晶核形成的机制,降低胰岛保存温度,实现胰岛的“深度过冷”保存;通过动物体内的胰岛移植实验,验证胰岛在液滴微流体中安全包裹及其在体外“深度过冷”长期保存的有效性。本项目的研究成果将发展胰岛的水凝胶微包裹和体外保存方法,为利用胰岛微胶囊治疗I型糖尿病提供关键的技术支撑。
英文摘要
Type 1 diabetes mellitus (T1DM) is a major chronic disease that threatens human health, and islet microcapsule is one of the most promising curing methods with two core challenges: islet safe microencapsulation and long-term in vitro preservation. Due to the difficulty of precise flow field control, current microencapsulation methods compromise the morphology and viability of encapsulated islets; due to the limitation of ice formation in supercooled biospecimens and high preservation temperatures, current preservation methods of islets have short preservation periods. Therefore, based on our research foundation on fluid mechanics, thermodynamics, and biomedical engineering, this project aims to: develop 3D droplet-based microfluidic devices, control the flow field and trajectory of microcapsules, and realize the safe and efficient hydrogel microencapsulation for islets; reveal mechanisms of ice nucleation in supercooled islets via oil sealing methods; decrease islet preservation temperatures by inhibiting ice nucleation mechanisms, and achieve islet "deep-supercooling" (DSC) preservation; perform in vivo islet allotransplantation trials to confirm the efficacy of hydrogel encapsulated and DSC preserved islets. The results of this project would develop the hydrogel encapsulation method and in vitro preservation method of islet, providing key technological supports for islet microcapsules to cue T1DM.
糖尿病作为全球三大慢性疾病之一,其根治性治疗依赖于胰岛或胰腺移植,但供体短缺与器官保存技术瓶颈严重制约临床进展。现有4℃静态保存技术仅能维持胰腺离体存活<12小时,且冰晶损伤、线粒体功能障碍等问题导致移植成功率不足30%。针对这一难题,本研究以“深度过冷”(Deep-supercooling, DSC)为核心,融合液滴微流体包裹、分子保护剂筛选及跨尺度低温损伤机制解析,系统构建了“细胞-组织-器官”三级保存技术体系,突破了生物样本长期低温保存的关键技术壁垒。.本项目研究的主要进展包括:1)成功建立胰岛的水凝胶微包裹(HME)和深度过冷保存(DSC)体系,实现了胰岛的长期保存(7天),并通过引入8 kDa聚乙二醇(PEG)显著降低了线粒体损伤,维持了胰岛的高活性;2)阐明了过冷保存过程中胰岛和胰腺腺泡细胞的损伤机制,发现线粒体膜电位下降是主要限制因素,优化了UW液复合PEG的保存体系,显著延长了保存时间;3)成功将DSC技术拓展至胰腺保存,实现了胰腺体外保存时间延长至48小时,并完成了体外循环再灌注验证;4)通过异体移植实验验证了DSC保存胰岛的临床转化潜力,移植后受体血糖稳定维持150天,显著提高了移植成功率。.研究数据表明,胰岛在UW+PEG中保存7天后的活性为88%,线粒体膜电位和ATP含量与新鲜胰岛无明显差异,而常规保存后的胰岛活性约为28%。胰腺腺泡细胞在-4℃条件下UW+PEG中保存5天后,活性从常规保存的19%提升到81%,ATP含量和消化功能与新鲜细胞相当。胰腺在-4℃条件下UW+PEG中保存48小时后,保存时间至少延长3倍,再灌注功能接近新鲜胰腺,显著优于常规4℃保存。.本项目不仅实现了胰岛和胰腺的过冷保存,还系统阐明了低温损伤机制,形成了“细胞-组织-器官”三级保存技术体系,为器官移植提供了重要的技术支撑和理论依据。研究成果已发表SCI论文5篇,申请发明专利3项(1项已授权),并完成了专利转化,推动了过冷保存技术在临床器官移植中的应用。.
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