Table of Contents

Въведение: Нова граница на лечение на диабет

Регенерацията на бета клетките се е появила като един от най-обещаващите начини за трансплантация медицина, особено за лица, живеещи с диабет. Способността за възстановяване на тялото на собствените инсулин-производители клетки може да трансформира живота на милиони, които зависят от ежедневни инжекции или помпена терапия. Докато все още са били извършени трансплантации на панкреати и островни трансплантации в продължение на десетилетия, техния дългосрочен успех остава ограничен от недостиг на донорска тъкан, имунно отхвърляне, и постепенното загуба на присадката функция. Разбиране и увеличаване на регенеративния капацитет на трансплантираните бета клетки сега е основен фокус на изследванията, насочени към това тези процедури да бъдат по-трайни и в крайна сметка лечими.

В тази статия изследваме биологията на бета клетките, защо регенерирането е от значение, текущото състояние на трансплантацията, пречките, които остават, и иновативните стратегии, разработени за насърчаване на регенерирането на бета клетките както в присадката, така и в тялото на получателя.

Какво представляват Бета клетките и защо имат значение?

Бета клетките са специализирани ендокринни клетки, открити в остров Лангерхан, малки купове разпръснати из панкреаса. При здрави възрастни панкреасът съдържа около един милион изолета, всеки корпус няколкостотин бета клетки заедно с алфа, делта и гама клетки, които произвеждат глюкагон, соматостатин и други хормони. Основната и най-добре позната функция на бета клетките е производството, съхранението и освобождаването на инсулин в отговор на покачващите се нива на кръвната захар. Инсулинът действа като ключ, който отключва клетките в цялото тяло, позволявайки им да абсорбират глюкоза за енергия. Без достатъчно функционални бета-клетки, кръвната глюкоза се повишава неконтролируемо, което води до диабет и неговите опустошителни усложнения.

Бета клетките са уникално чувствителни към колебанията в глюкозата. Те усещат промени в кръвната захар и регулират секрецията на инсулин в реално време, обратна връзка цикъл, че никоя външна система за доставка на инсулин не може перфектно да се възпроизведе. Този изискан контрол е защо възстановяването на функционални бета клетки .

Критичната роля на възпроизводството на Бета-клетъча

При диабет тип 1 (T1D), автоимунна атака унищожава по-голямата част от бета клетките, често оставяйки нито един по време на диагностика. При диабет тип 2 (T2D) бета клетките първоначално компенсират инсулиновата резистентност чрез увеличаване на инсулиновата мощност, но с течение на времето те стават дисфункционални и умират, което води до прогресиращ дефицит на инсулин. И в двата случая загубата на бета- клетъчна маса е централно патофизиологично събитие.

Регенерация на бета-клетките, независимо дали от съществуващите клетки, прогениторните популации или стволовите клетки, теоретически възстановява нормалната секреция на инсулин. В контекста на трансплантацията регенерацията не е само за създаване на нови клетки; тя обхваща също оцеляването, разпространението и функционалното съзряване на трансплантираните клетки, след като те са поставени в тялото на получателя. Присадка, която може да поддържа своя собствен бета-клетъчен басейн чрез регенериране, би била далеч по-издръжлива от тази, която постепенно намалява, намалява необходимостта от повтарящи се трансплантации или високи дози имуносупресия.

Регентация на Бета-клетъчни клетки в коренния панкреас

Преди да се обмисли трансплантацията, е полезно да се разбере как бета клетките регенерират естествено. При здрави индивиди, бета клетките имат ограничен капацитет да не се лови приблизително 0,1% от бета клетките се разделят по всяко време. По време на бременност, растежен хормон вълни, и след частична панкреатектомия, тази репликация честота може да се увеличи няколко пъти. Има също доказателства за неогенеза (бета-клетъчно образуване от каналални или други прогениторни клетки) и трансдиференциация (трансверсия на други видове панкреасни клетки, като алфа клетки, в бета клетки).

За да бъде трансплантацията повече от временна, трябва да се впрегнем към тези природни механизми или инженери, които са по-добри от тези, които са в средата на присадката.

Състояние на трансплантация на Бета-клетъчни

Трансплантацията на дарителски островни островчета (излетна алотрансплантация) се е развила значително от първата успешна процедура в края на 80-те години на миналия век. Протоколът Edmonton, публикуван през 2000 г., показва, че комбинацията от имуносупресия без кортикостероиди може да постигне инсулинова независимост при повечето T1D получатели. Оттогава десетки хиляди пациенти по света са получили островни трансплантации, въпреки че процедурата остава ограничена до тези с тежка хипогликемиемия, неяснота или лабилен глюкозен контрол въпреки оптималната медицинска терапия.

Пет години след трансплантацията около 50 . 60% от получателите остават инсулин-независими, но повечето все още изискват някои екзогенни инсулин. Присадката често не успява, защото трансплантираните бета-клетки не оцеляват при процедурата, не могат да се регенерират адекватно или да бъдат унищожени от повторна автоимунизация или от самите имуносупресивни лекарства (които могат да бъдат токсични за бета-клетки).

Проблемът с донора

Дълбоко ограничение е липсата на висококачествена донорска панкреата. Изолирането на остров е технически неизгодно само около 3050% от островните острови оцеляват след изолационния процес. Освен това, един получател обикновено изисква островни острови от два или повече донорски панкреата. Това искане за доставка ограничава сериозно броя на трансплантациите, които могат да бъдат извършени, оставяйки по-голямата част от пациентите с диабет без достъп.

Предизвикателства при възстановяването на Бета-клетъчни клетки след трансплантация

За да направим трансплантацията жизнеспособен лек, трябва да се справим с пречките, които пречат на трансплантираните бета клетки да се регенерират и поддържат функционална маса.

Имунно отхвърляне и повторно възникване на автоимунност

Имунната система е най-голямата заплаха за трансплантирана бета клетка. Въпреки имуносупресията, много пациенти изпитват постепенно загуба на функция на присадката поради комбинация от алергии (поемащата имунна система атакува донорските клетки като чужди) и повтаряща се автоимунна атака (същия процес, който унищожи собствените бета клетки на пациента). Този дуализъм силно ограничава неточно капацитета на присадката. Нови стратегии, включително индукция на антиген-специфична толерантност, капсулирани изолаторни устройства, и локализирана имунна модулация се изследват, за да се защитят клетките.

Грешка при компостиране

След инфузия в порталната вена, островните острови трябва да се запишат в черния дроб и да създадат нов кръвоснабдяване (реваскуларизация). Този процес е неефективен. През първата седмица 50 . . . от трансплантирани островчета умират поради хипоксия, възпаление и липса на трофична поддръжка. Само оцелелите могат потенциално да се размножават, но микро- среда на черния дроб не е естествено благоприятна за възстановяване на бета-клетки.

Ограниченият капацитет на Donor Beta Cells за регенериране на Intrinsic

Дори при идеални условия, възрастните човешки бета клетки имат много ниска честота на репликация, много по-ниска от тази на бета клетките на гризачите. Това означава, че присадката, която започва с, да кажем, 500 000 изолатови еквиваленти (IEQs) естествено ще намалее, ако не може да замени клетките, изгубени от апоптоза или сенсибилизация. Изследователите са установили, че някои бета клетки в дългосрочни присадки показват маркери на пролиферация, но не достатъчно, за да компенсира атрицията.

Стратегии за насърчаване на Бета клетъчна регенерация при трансплантация

Разрастващ се арсенал от подходи има за цел да преодолее тези бариери и coax трансплантирани бета клетки .

Стеблени клетки, отнесени към Бета клетки

Може би най-вълнуващият напредък е използването на плурипотентни стволови клетки (ембрионни стволови клетки или индуцирани плурипотентни стволови клетки) да генерира неограничен брой функционални бета клетки в лабораторията. Компании като Vertex Pharmaceuticals са започнали клинични проучвания със стволови клетки- получени Islet клетки (VX-880), които вече са показали способността да се възстанови ендогенното производство на инсулин при няколко лекувани пациенти. Тези клетки могат да бъдат произведени в големи, стандартизирани партиди, премахване на недостига на донори. Освен това, те могат да бъдат модифицирани за генно-дидатирани да се избегне имунната система, потенциално намаляване или премахване на необходимостта от имуносупресия.

Редакция на ген за подобряване на преживяемостта и разпространението на клетки

CRISPR-Cas9 и други инструменти за генно редактиране позволяват на изследователите да създават бета-клетки, които са по-устойчиви на имунна атака, хипоксия и апоптоза. Например, вмъкването на гени, които защитават от цитокини или които насърчават ангиогенезата (образуването на кръвоносните съдове) може да подобри присаждането. Освен това, редактирането на пътища като PI3K/Akt или пътя на INK4a/ARF съзряване може да повиши степента на репликация на бета клетките, без да доведе до невъздържан растеж (което може да доведе до инсулиноми).

Имунна модификация и капсулиране

За да се защитят трансплантираните бета- клетки от имунно унищожаване без системна имуносупресия, се проучват две основни стратегии: макро-енкапсулиране, където островните клетки се помещават в полупропускливо устройство, което позволява преминаването на глюкоза и инсулин, но блокира имунната клетка и микрокапсулирането, където единичните островчета са покрити с алгинат или други хидрогели. Ранните клинични проучвания показват, че капсулираните клетки могат да оцелеят с месеци, но фиброзата (залепването) около устройството остава проблем. По-новите материали, като триазол-тиопиперазин диоксид (TMTD) хидрогели, показват подобрена биокомпромисност в първичните модели.

Фактори на растежа и сигнална пътека Модулация

Преобразуването на фактора на растежа бета (ТГФ-β) сигнализира, например, действа като спирачка върху разпространението на бета- клетките; блокирането на този път с малки молекули може временно да стимулира репликацията. По същия начин, серотонин, остеопротегерин и хормона пролактин са показали, че стимулира експанзията на бета- клетките при животински модели. Доставянето на тези фактори локално на мястото на присадката чрез скеле с контролирано освобождаване може да помогне за поддържането на бета-клетъчна маса.

Трансдиференциация на клетки извън Бета

Друга невъзстановена стратегия е да се превърне на пациента собствени небета-панкреатични клетки (алфа клетки, екзокринови клетки) в бета клетки. При мишки, принудителен израз на ключови фактора транскрипция като Pdx1, Ngn3, и MafA може да препрограмира екзокрин клетки в функционални бета-подобни клетки. При трансплантация, ако малък процент от получателя на собствения панкреас може да бъде преобразувана, тя може да намали необходимостта от донор тъкан. Въпреки това, превръщането на това за хората е доказано трудно, защото възрастни човешки акенарни клетки са по-устойчиви на препрограмиране.

Бъдещи перспективи: Към лечение на диабета

Конвергенцията на регенеративната биология и трансплантацията съдържа забележителното обещание за трайно, може би за цял живот лечение на диабета.

  • Персонализирани терапии на стволови клетки: Автоложните бета-клетки, получени от IRSC, могат да избегнат напълно имунно отхвърляне. Въпреки това, пациентите с автоимунен диабет все още ще изискват защита от оригиналната автоимунизация, която може да атакува новоизлюпени клетки. Комбинирането на персонализирани стволови клетки с имунна редакция (напр., вземане на клетки гонени за T клетки от не повече HLA молекули) може да реши това.
  • Биоинженерни панкреасни органиоиди: Вместо трансплантиране на отделни клетки, изследователите изграждат триизмерни органиди, които имитират местната островна архитектура, в комплект с поддържаща строма и вградена васкулатура. Тези органиоиди могат да бъдат направени от стволови клетки и да включват биоматериали, генериращи кислород, за да се подобри присаждането.
  • Затворени регенеративни устройства с цикъл на въртене: Устройство от следващо поколение, което не само защитава бета клетките, но и активно освобождава растежните фактори или регулира средата си за насърчаване на регенерацията, може да трансформира трансплантацията от еднократно вливане в самоподдържаща се терапия.
  • Комбинация с нови имуносупресивни схеми: Лекарства, които индуцират имунен толеранс (напр. анти- CD3 антитела, регулаторни T клетъчни терапии) без глобална имуносупресия биха могли да позволят на присадката да стане непредсказуема за регенериране.

Много препятствия остават, включително осигуряване на безопасността на генно-едитираните клетки (за предотвратяване на рак), мащабиране на производството на островни клетки, получени от стволови клетки, и доказване на дългосрочна трайност в големи клинични изпитвания. И все пак темпът на откриване се ускорява. С милиарди долари в инвестиции и стотици активни изследователски групи по света, е разумно да се очаква комбинация от трансплантация и регенерация да се превърне в стандартна терапия този век.

Заключение

Бета клетките регенерация е ключът към отключване на пълния потенциал на трансплантацията като лек за диабета. Като се обърне внимание на основните ограничения на донора недъзи, имунно отхвърляне, и лошо присадката оцеляване, регенеративни подходи предлагат път към постоянно възстановяване на производството на природен инсулин. Независимо дали чрез стволови клетки, ген редактиране, имунна модулация, или комбинация от тези стратегии, целта е ясно: да се даде на пациентите си бета клетки, които могат да се усетят, реагират и, което е важно, регенерират. Напредъкът, постигнат само през последното десетилетие дава причина за надежда, че тази визия ще се превърне в реалност за милиони по света.

За по-нататъшно четене на последните постижения, помислете за ресурсите от Национален институт по диабет и делителна и бъбречна болест (NDDK), JDRF[, и последните прегледи в Natural Reviews Endocrinology и Cell Stem Cell.