Диабет 1 типа – это хроническое аутоиммунное заболевание, при котором вирусная инфекция1,2, генетика и факторы окружающей среды воздействуют на Т-клетки иммунной системы, которые затем атакуют и разрушают инсулин-продуцирующие островки поджелудочной железы Лангерганса (также известные как бета-клетки). Не существует вакцины или лечения, только лечение – и хотя успешная трансплантация островков или поджелудочной железы может помочь в лечении диабета I типа и связанных с ним долгосрочных осложнений, процедура требует пожизненного режима иммунодепрессантов, которые могут быть только частично эффективными, иметь отрицательный результат. воздействуют на сами островки и создают повышенный риск заражения и рака. Учитывая эти предостережения, исследования долгое время были сосредоточены на инкапсуляции островков таким образом, чтобы исключить необходимость в посттрансплантационной иммуносупрессии. При этом было показано, что современные методы микрокапсулирования влияют на различные функции островков, такие как клеточная гипоксия (недостаток кислорода), задержка GSIR (стимулируемое глюкозой высвобождение инсулина) и ограничения размера участка трансплантата. Однако недавно ученые из Исследовательского института диабета Медицинской школы Миллера Университета Майами разработали и оптимизировали технику конформной инкапсуляции, основанную на биосовместимых проницаемых гидрогелях, в результате чего на островках различных размеров получаются тонкие, полные, однородные покрытия, которым соответствует покрытие. индивидуальной форме каждого островка. Кроме того, сингенные (генетически идентичные или достаточно идентичные и, следовательно, иммунологически совместимые) диабетические мыши, получавшие трансплантированные островки с конформно покрытыми оболочками, достигли и поддерживали эугликемию, то есть нормальный уровень глюкозы в крови, в течение более 100 дней без реакции инородного тела на инкапсулирующий материал или аномальной реваскуляризации.
Доктор. Алиса А. Томей обсудила статью, которую она и ее соавторы опубликовали в Proceedings of the National Academy of Sciences. "Наша мотивация и долгосрочная цель – сделать инкапсуляцию островков успешной, чтобы обеспечить трансплантацию островков без или с минимальной иммуносупрессией, что не является полностью эффективным и является основной причиной нежелательных явлений, связанных с процедурой," Томей рассказывает Medical Xpress. "Основываясь на критическом обзоре литературы и на Докторе. Предыдущие многообещающие усилия Хаббелла по конформной инкапсуляции6, мы предположили, что неудача традиционных усилий по инкапсуляции островков частично связана с большим размером традиционных капсул, что вызывает нарушение диффузии кислорода / питательных веществ и задержку секреции инсулина в ответ на глюкозную нагрузку. Кроме того, большие капсулы ограничивают место трансплантации брюшной полостью, что может не подходить для трансплантации островков из-за низкого давления кислорода."
Томей добавляет, что их целью текущего исследования было разработать метод минимизации толщины островковой капсулы до нескольких десятков микрон. "Поскольку размер островков составляет от 50 до 350 мкм, мы решили разработать метод, основанный на термоусадочной упаковке клеток внутри гидрогелевого материала, а не на включении островков в капельки гидрогелевого материала с постоянным диаметром – технология, используемая в настоящее время для инкапсуляции островков." Кроме того, продолжает она, ученые решили избегать любого прямого связывания компонентов гидрогеля с поверхностью островка, потому что это может предотвратить ремоделирование островков и повреждение базальной мембраны островков, причем последнее имеет решающее значение для защиты островков от аутоиммунитета5.
"В основу конструкции нашей микрожидкостной системы с термоусадочной изоляцией были положены предыдущие работы по созданию коаксиальных струй3,4,8,9, а также конформное покрытие отдельных ячеек5," она объясняет. "Мы столкнулись с четырьмя ключевыми конструкторскими проблемами: определение правильной комбинации параметров гидродинамики, которая позволяет покрывать конформные частицы твердыми частицами, а не генерировать капли постоянного диаметра; разработка процесса, позволяющего полимеризовать предшественник геля PEG после образования капсулы, а не до инкапсуляции в микрофлюидном устройстве; адаптация процесса к островкам, которые очень чувствительны к манипуляциям; и корректировка состава гидрогеля PEG для максимизации жизнеспособности и функции замкнутых островков."
Томей отмечает, что будущие трансляционные исследования необходимы для лечения диабета 1 типа у людей – и такие исследования уже находятся на стадии планирования. "В нашем исследовании PNAS мы показали, что конформное покрытие не ставит под угрозу жизнеспособность и функцию островков после инкапсуляции в условиях трансплантации сингенных островков у мышей – и с терапевтической точки зрения мы доказали, что конформное покрытие демонстрирует реальный потенциал для аутологичных трансплантатов." Следующие шаги, продолжает она, – это оценить, обеспечивает ли конформное покрытие эффективную иммуноизоляцию против аллоотторжения и аутоиммунитета – исследования, которые в настоящее время проводят исследователи на моделях мелких животных при поддержке Фонда исследований диабета, Фонда исследований ювенильного диабета и Леоны М. и Гарри Б. Благотворительный фонд Helmsley (грант 17-2012-361) и BioRep Technologies. "Кроме того, нам необходимо доказать, что инкапсуляция конформным покрытием безопасна и эффективна на крупных моделях животных, поэтому параллельно с исследованиями эффективности и безопасности мы расширяем масштабы процедур и устройств." Томей добавляет, что они также изучают новые и более эффективные способы достижения локальной (а не системной) модуляции иммунных ответов, необходимых для предотвращения отторжения пересаженных островков. Ученые также изучают способы противодействия аутоиммунитету путем восстановления толерантности к аутоантигенам бета-клеток – нормальным тканевым компонентам, на которые нацелена иммунная система, производя аутоантитела, вызывающие аутоиммунное разрушение и диабет 1 типа.
Что касается того, как отсутствие факторов, ограничивающих размер, позволило ученым трансплантировать островки с конформным покрытием в лечебных дозах в местах, недоступных для стандартных методов микрокапсулирования, Томей сообщает Medical Xpress, что стандартные методы микрокапсулирования основаны на включении островков в капли гидрогелевого материала. с постоянным диаметром – и для того, чтобы охватить даже большие островки (до 500 мкм в диаметре), капли должны быть в диапазоне 600-1000 мкм. По ее словам, происходит следующее: небольшие островки размером всего 50 мкм будут заключены в большой объем инертного полимерного материала. Во время постимплантационной реваскуляризации кровеносные сосуды, которые переносят кислород и питательные вещества и позволяют ощущать глюкозу в процессах секреции инсулина в островках, будут расти на поверхности капсулы, но толстая полимерная стенка между кровеносными сосудами и островками образует барьер для кислорода, транспорт питательных веществ и глюкозы в островки, а инсулин и продукты жизнедеятельности – от островков к кровеносным сосудам.
"Такой большой транспортный барьер приводит к тому, что центр островков страдает от гипоксии и центрального некроза или гибели клеток, а также из-за задержки секреции инсулина в ответ на глюкозу" Томей объясняет. "Кроме того, поскольку людям необходимо трансплантировать от 500000 до 1000000 островков, чтобы обратить вспять гипергликемию и вылечить диабет, если островки заключены в капсулы диаметром 600–1000 мкм, потребуется трансплантация большого объема инкапсулированного материала, занимающего сотни миллилитров пространства. Такие большие объемы могут быть помещены только в брюшную полость и не могут быть трансплантированы внутри искусственных органов, таких как биоискусственная поджелудочная железа DRI BioHub. С другой стороны," она продолжает, "конформное покрытие не сильно увеличивает объем островка по сравнению с неинкапсулированными или голыми островками. Следовательно, островки с конформным покрытием могут быть трансплантированы в то же место и сконструированные органы, где могут быть размещены голые островки – и, как уже упоминалось, конформное покрытие минимизирует центральный некроз, не создавая барьера для кровеносных сосудов, транспортирующих кислород, питательные вещества, отходы, глюкозу и инсулин к инкапсулированному островку и от него."
Учитывая, что толщина конформного покрытия определяется геометрией, коэффициентами вязкости, межфазным натяжением и коэффициентами расхода в процессе, Томей указывает, что их исследования могут принести пользу другим областям исследований. "Процесс конформного покрытия может быть адаптирован к различным типам клеток и клеточных кластеров, включая другие дифференцированные первичные клетки, такие как нейроны или почечные эпителиальные клетки, опухолевые и эмбриональные / стволовые клетки, а также различные типы разлагаемых и постоянных материалов гидрогелевого покрытия, которые позволят обеспечить капсулу. характеристики, адаптированные к конкретному применению."