Table of Contents

Разбиране на трансплантацията на клетки от островни клетки за диабет тип 1

Диабет тип 1 е хронично автоимунно заболяване, характеризиращо се с разрушаване на инсулинопроизвеждащи бета клетки в панкреаса, което води до недостиг на инсулин и хронична хипергликемия. Основните актуални терапевтични стратегии за клинично изявен диабет тип 1 се характеризират с основно екзогенно приложение на инсулин в комбинация с проследяване на кръвната захар, което не позволява пълното имитиране на физиологично регулиране на инсулина, често води до субнеоптимален или недостатъчен гликемичен контрол. За милиони пациенти по целия свят, управлението на това състояние изисква постоянна бдителност, множество дневни инсулинови инжекции и внимателно наблюдение на нивата на кръвната захар, за да се предотвратят опасни усложнения.

При островна трансплантация, островни островни клетки (които съдържат β клетки и други видове клетки) са изолирани от донорски касапинни панкреаси и трансплантирани в хора с диабет тип 1. След това трансплантираните островни острови започват да произвеждат инсулин в отговор на нивата на кръвната захар. Този подход представлява значителен напредък в сравнение с традиционната инсулинова терапия, предлагайки възможност за пациентите да постигнат почти нормален контрол на кръвната захар без необходимостта от постоянни инсулинови инжекции.

Трансплантацията на Айлет наскоро бе одобрена от Американската агенция по храните и лекарствата за възрастни с диабет тип 1, комплициран от повтарящи се тежки хипогликемизиращи събития. Починалият донор на островна островна трансплантация наскоро беше одобрен от Американската агенция по храните и лекарствата като първата клетъчна терапия (Лантidra; CellTrans, Inc.) за възрастни с диабет тип 1, които не могат да се свържат с целевата HbA1c поради текущите повтарящи се тежки хипогликемизиращи събития, въпреки интензивното управление на диабета и образованието. Това одобрение представлява десетилетия на изследвания и клинично развитие в областта на клетъчните терапиии за диабет.

Дългосрочно проследяване на мултицентровото проучване на островна трансплантация в трета фаза, включващо 48 лица от тази популация, показва преживяемост на островния присадка при 84% от реципиентите, като HbA1c се запазва на по- малко от 7, 0% при 77% и при 6, 5% при 74%, отсъствие на тежки хипогликемични събития при повече от 90% и приблизително 50% оставащ инсулин независим при средно проследяване от 6 години. Тези впечатляващи резултати показват трансформиращия потенциал на островната трансплантация при внимателно подбрани пациенти с трудно за управление диабет.

Критичното предизвикателство: Имунното отхвърляне

Въпреки забележителния успех на островната трансплантация, една от най-значимите пречки пред широкото осиновяване остава имунният отговор на организма към трансплантираните клетки. Тъй като такива трансплантации се случват в алогенната обстановка, получателите се нуждаят от имуносупресивно лечение. Това хронично и системно адювантно лечение може да доведе до токсичност, повишен риск от инфекция и развитие на тумори, и в крайна сметка намаляване на качеството на живот на пациентите.

Лекарствата, необходими за подтискане на имунното отхвърляне на островните острови, трябва да продължат за живота на трансплантирането и те идват със значителни рискове. Тяхната употреба увеличава чувствителността към бактериални и вирусни инфекции; може да причини умора, намалена бъбречна функция, рани в устата и стомашно-чревни проблеми; и може да увеличи дългосрочния риск от развитие на някои ракови заболявания. Тези имуносупресори също се смята, че да се отрази на дългосрочната жизнеспособност на трансплантираните островни острови, тъй като проучванията предполагат, че те са токсични за островните острови с течение на времето.

Бъбречната функция намалява с по- голяма честота при алелната трансплантация в сравнение със стандартната грижа, което е вероятно да се обясни с текущото изискване за инхибитор на калциневрина ! базиран имуносупресия за предпазване на островната присадка от алоимунно отхвърляне и автоимунно повторение.

Необходимостта от системна имуносупресия остава основната бариера за правенето на островна трансплантация по-разпространена терапия за пациенти с диабет тип 1. Така важна бъдеща цел на изследването е постигането на "имунологично толерантност" към трансплантираните клетки, което означава, че имуносупресираните лекарства ще бъдат необходими само за кратко време или дори изобщо не. Това е мястото, където капсулиране технологии влизат в картината като потенциално променящо играта решение.

Какво представляват "Технология на капсулирането"?

Инкапсулацията е технология за свързване на живи клетки с полупропусклива мембрана. Клетъчната микрокапсулационна технология включва обездвижване на клетките в полимерна полупропусклива мембрана. Тя позволява двупосочна дифузия на молекули като притока на кислород, хранителни вещества, растежни фактори, които са от съществено значение за клетъчния метаболизъм и външната дифузия на отпадъчни продукти и терапевтични протеини. В същото време полупропускливият характер на мембраната предотвратява унищожаването на имунните клетки и антитела, свързани с тях като чужди нашественици.

В една стратегия, наречена капсулиране, островните острови (включително тези от донори, както и от производните на прогениторните клетки изолационните клетки и органоидите, отглеждани в лабораторията) са покрити с материал, който ги предпазва от атака от имунната система на получателя и насърчава тяхното здравословно функциониране. Основният принцип зад капсулирането е елегантен в неговата простота: създаване на защитна бариера, която позволява на основните хранителни вещества и кислород да достигнат трансплантираните клетки, като същевременно предотвратяват атаката им срещу имунната клетка.

Биоартификалният панкреас се дефинира като структура на панкреаса, базирана на капсулиране на островни клетки в полупропусклива мембрана, така че клетките да могат да бъдат защитени от имунната система на приемника, докато отделят инсулина, за да регулират кръвната захар. Това понятие представлява сложен биоинженерен подход, който се стреми да възпроизведе естествената функция на панкреаса, като същевременно предпазва трансплантираните клетки от имунно унищожаване.

През 1964 г. идеята за капсулиране на клетки в микрокапсули ултратънка полимерна мембрана, така че да се осигури имунозащита на клетките е предложена от Томас Ченг, който въведе термина "изкуствени клетки," за да се определи тази концепция за биоенкапсулиране. Системата е допълнително напреднала от Лим и Сън, които са пионери в микроенкапсулирането на островни клетки, създавайки първия биоартификален ендокринен панкреас. Тъй като тези пионерски усилия, областта е еволюирала драстично с напредъка в областта на материалите наука, нанотехнологии и биоинженерство.

Видове методи на капсулиране

Два основни подхода на капсулиране са широко проучени: микрокапсулиране и нанокапсулиране. Всеки подход предлага различни предимства и се изправя пред уникални предизвикателства при защитата на трансплантираните островни клетки от имунно отхвърляне, като същевременно запазва тяхната жизнеспособност и функция. Разбирането на тези различни методи е от решаващо значение за оценка на сложността и потенциала на капсулиране технология в лечението на диабета.

Микрокапсулиране

Микрокапсулирането се отнася до сферична система с размери от приблизително десетки микрони до 1,5 мм. Този подход включва покритие отделни островни клетки или малки купове от островни острови с тънък слой биосъвместим материал, обикновено създаване на сферични капсули, които могат да бъдат имплантирани в тялото на пациента. Най-често използваният материал за микроенкапсулиране е алгинат, естествено получен полизахарид, извлечен от кафяви водорасли.

Разработени са алгинат-полилизин-алгинат (АПА) микрокапсули, които обездвижват клетките на изолатора. Проучването показва, че когато тези микрокапсулирани островчета са имплантирани в диабетни плъхове, клетките остават жизнеспособни и контролирани нива на глюкозата в продължение на няколко седмици. Този ранен успех в животинските модели показва осъществимостта на подхода на микрокапсулиране и предизвика десетилетия последващи изследвания.

Материалът е биосъвместим, относително евтин, и може да се обработва при леки условия, които не увреждат капсулираните клетки. Процесът на гелиране се случва бързо, когато алгинатният разтвор влиза в контакт с калциеви йони, което позволява ефективно капсулуване на голям брой островни острови. Въпреки това, алгинатните микрокапсули също са изправени пред значителни предизвикателства, особено по отношение на външния отговор на тялото и фибротичния растеж, който може да се появи след имплантиране.

Микросферите за островна капсула са позволили дългосрочен гликемичен контрол при модели на диабет при гризачи; обаче, хората, трансплантирани с еквивалентни микросфери, са имали само преходна функция на островна присадка поради енергичен отговор на чуждо тяло, перикапсуларен фиброзен растеж и, в изправено двукраки видове, утаяване на микросферите в перитонеалната кухина. Това прекъсване между успеха при моделите на гризачи и предизвикателствата в човешките приложения е било една от основните пречки при превръщането на микроенкапсулова технология в клинична практика.

За да се справят с тези предизвикателства, изследователите са разработили химически модифицирани алгинатни форми. В комбинация с минимално инвазивна техника на трансплантация в бурса оменталис на нечовешки примати, най-обещаващите химически модифицирани производни алгинат (Z1-Y15) защитени жизнеспособни и глюкозо-реагиращи алогенни изолети в продължение на 4 месеца без необходимост от имуносупресия. Едно скорошно проучване с използване на триазол-модифициран алгинат хидрогел изглежда да предотврати прекомерна фиброза, често срещана с по-големи животински модели (нечовешки примати) и може да бъде полезно за удължаване на капсулираната островна присадка.

Микрокапсулирането изисква по-сложни и индивидуализирани процеси на производство, за разлика от макрокапсулационните устройства, които могат да бъдат по-лесни за производство, са по-лесно ретриеви след имплантиране и са по-благоприятни за комерсиализация. Въпреки тези производствени предизвикателства, микрокапсулирането остава активна област на изследване поради потенциала си да осигури имунопротекция без необходимост от големи имплантируеми устройства.

Макрокапсулиране

Макрокапсулирането се възприема по различен начин, като се занимават с много островни клетки в по-голямо устройство или капсула. Тези устройства обикновено се състоят от камера или торбичка, която съдържа множество островчета, заобиколени от полупропусклива мембрана. Макрокапсулационните устройства предлагат няколко потенциални предимства, включително по-лесно извличане, ако възникнат усложнения, по-прости производствени процеси, както и възможността да се включат допълнителни функции като кислородни генератори или съдови промивни структури.

Терацитите се имуноизолират и се състоят от двумембранна торбичка. Външната мембрана има размер 5 μm пор, който поддържа клетъчна инфилтрация и стимулира ангиогенезата в цялото устройство. Вътрешната мембрана има диаметър на порите от 0,4 μm за имуноизолация на островните острови в близост до васкулатурата. Този дизайн с двойна мембрана представлява иновативен подход за балансиране на конкурентните нужди от имунна защита и адекватна съдовост.

Оттогава ViaCyte е разработила система, известна като Encaptra, която има една мембрана, която имуноизолира, за да защити трансплантираните клетки от директно взаимодействие с имунните клетки, като същевременно позволява на кислорода и хранителните вещества да преминат. Инкапсулираните бета-клетки, получени от стволови клетки, упражняват глюкозен контрол при пациенти с диабет тип 1. Тези клинични разработки показват, че макрокапсулационните устройства напредват от лабораторни изследвания към приложения в реалния свят.

Няколко устройства, които са разработени включват TheracyteTM от TheraCyte Inc., βAir от BetaO2 Technologies, Cell Pouch System от Sernova, и PEC-Encap (VC-01) и PEC-Direct (VC-02) от ViaCyte (сега придобити от Vertex Pharmaceuticals). Всяко от тези устройства представлява уникален подход към решаването на предизвикателствата на островната капсула, с различни дизайни, материали и имплантационни обекти.

Друго макрокапсулационно устройство, което използва микрофабрикационна технология, се нарича Наногланд. Състои се от външна мембрана с паралелни нанокамери (3.6 .40 .) и перпендикулярни микрокасети (20 .60 микрона) околните островчета. Наноканалните канали са проектирани да осигуряват имунопротекция и микроканалите се смятат за помощ при нанасяне. Подкожното имплантиране на Наногланд с човешки островчета в мишки показа оцеляването на имплантите в продължение на повече от 120 дни.

Андерсън и колегите му съобщиха за островно-капсулационно устройство, което също носи кислороден генератор на борда. Този генератор се състои от протонна обменна мембрана, която може да раздели водната пара (напълно в тялото) на водород и кислород. Водородът разсейва безобидна далеч, докато кислородът влиза в камера за съхранение, която подхранва клетките на островните клетки през тънка, кислородно-пропусклива мембрана. Те показаха, че тези капсулирани панкреатични клетки могат да оцелеят в тялото в продължение на най-малко 90 дни. При мишки, които са получили импланти, клетките остават функционални и произвеждат достатъчно инсулин, за да контролират нивото на кръвната захар на животните.

Въпреки това, не всички макрокапсулационни подходи са успешни. VX-264, една следствена изолетна клетъчна терапия, капсулирана в патентовано макрокапсулационно устройство, разработено от Vertex, завърши фаза 1/2 дозиране. Въпреки това, анализът не отговаря на крайната точка за ефикасност, което води до прекратяване на клиничното изпитване. Тази спънка подчертава текущите предизвикателства при разработването на ефективни макрокапсуловъчни системи и необходимостта от продължаване на изследванията и усъвършенстването.

Наноенкапсулиране

За разлика от други методи на капсулиране, които обездвижват клетките или веществата, които се капсулират в микрон-размерна матрица на гел, методите на нанокапсулиране обикновено се основават на образуването на наномембрани около клетки или органи. Наноенкапсулирането е технология за капсулиране на островни клетки чрез конформационно покритие, което разчита най-вече на използването на метод на дюза. В сравнение с конвенционалните микрокапсули, конформационното покритие позволява образуването на тънки покрития, покриващи всеки отделен остров.

Както размерът на получените материали, така и дебелината на фолиото са коригирани към размера и морфологията на отделните островни острови. Тази технология дава възможност за нанокапсули, за които дебелината на защитната мембрана благоприятства двупосочното разпространение на кислород, хранителни вещества и метаболити. Ултратънкият характер на нанокапсулационните покрития предлага значителни предимства по отношение на разпространението на хранителни вещества и кислород в сравнение с по-дебелите микрокапсулационни слоеве.

Наноенкапсулацията представлява режещ ръб на капсулованата технология, като се задвижва напредъкът в нанотехнологиите и материалите, науката създава защитни бариери, които са просто нанометри дебели. Този подход намалява диференциацията на кислорода и хранителните вещества, като същевременно осигурява ефективна имунна защита.

Различни материали и методи са изследвани за нанокапсулиране, включително слой по слой с полиелектролити, химическо отлагане на пари и плазмена полимеризация. Всеки метод предлага различни предимства по отношение на покритие еднаквост, дебелина контрол и биосъвместимост. Целта е да се създаде покритие, което е достатъчно тънък, за да позволи бързо дифузия на кислород и хранителни вещества, но достатъчно здрави, за да осигури ефективна имунна защита за продължителен период от време.

Биоматериали, използвани в капсулирането

Изборът на биоматериал е от решаващо значение за успеха на всяка стратегия за капсулиране. Идеалният за капсулиране материал трябва да отговаря на няколко изисквания: той трябва да бъде биосъвместим, механично стабилен, непропусклив към кислород и хранителни вещества, непропусклив към имунни клетки и антитела, и устойчив на разграждане в околната среда на тялото. Изследователите са изследвали широк спектър от естествени и синтетични материали в търсенето на оптималното капсулиране биоматериал.

Алгинат и модифициран алгинат

Алгинат остава най-широко проучен материал за островна капсулиране поради биосъвместимостта си, лекота на обработка и способност за образуване на гелове при леки условия. Стандартните алгинати формули обаче показват ограничения в клиничните приложения, особено по отношение на външния отговор на тялото и фибротичния растеж. Това е довело до обширни изследвания в химически модифицирани алгинатни форми, предназначени да намалят тези нежелани реакции.

Три химически модифицирани, имуномодулиращи алгинати образуват намален отговор на чуждо тяло. Z1-Y15 химическата модификация специално модулира активирането на макрофагите нагоре, което от своя страна значително намалява набирането на миофибромнибласти: основният фактор за фиброзата надолу по веригата. Тези модифицирани алгинатни форми представляват значителен напредък в справянето с едно от основните предизвикателства на капсулованата технология.

Развитието на триазол-модифицирани алгинат и други химически модифицирани форми показва значението на разбирането на молекулярните взаимодействия между биоматериалите и имунната система. Внимателно инженерство химичните свойства на алгинат, изследователите могат да модулират реакцията на приемника и да намалят фибротичните реакции, които са измъчвали по-ранни опити за капсулиране.

Материали, използвани за производство на изделия от естествена коприна

Лекуваните копринени протеини имат ниска антигенност и рядко причиняват имунни реакции при имплантиране in vivo. Ефективността на изопсулираните в копринени материали изопсулирани изолации е значително повишена чрез съвместно енкапсулиране с фиброзин, протеин, който има силни механични свойства и ниска имуногенност. Съ-капсулуване с мезенхимни стромални клетки води до 2, 3 пъти увеличение на индекса на стимулиране и допълнителна кокапсулулация на фиброза, което води до 4, 4 пъти повишаване в сравнение с чисти копринени капсуловани островчета.

Материалите на основата на коприната предлагат уникални предимства, включително отлични механични свойства, контролируема скорост на разграждане, както и способност да се обработват в различни форми, включително филми, хидрогели и порести скелета. Естественият произход на копринените протеини и тяхната дълга история на употреба в медицинските приложения осигуряват допълнително доверие в биосъвместимостта и профила на безопасност.

Синтетични полимери

Чрез използване на високо пореста и трайна нано влакнеста кожа, направена чрез електроспояване на биосъвместим медицински (температурни силиконов (поликарбонат) уретан (TSPU) и алгинатно хидрогелово ядро, изследователите разработиха имплантируема нани-беро-интегрирана клетъчна капсуловация (NICE), която предлага подобрена биосъвместимост, безопасност и скалабилност за широкомащабно производство, гарантираща безопасното доставяне и защита на ксеногенните стволови клетки, получени чрез електросплинг техника.

Синтетичните полимери предлагат предимство на прецизния контрол върху свойствата на материала, включително механична якост, пропускливост и скорост на разграждане. Разширени производствени техники като електроспининг позволяват създаването на нано влакнести структури с висока повърхност и контролирани размери на порите, оптимизиране на баланса между имунната защита и транспортирането на хранителни вещества.

Предимства на технологиите за капсулиране

Окапсулацията на технологии предлага няколко непреодолими предимства, които ги правят привлекателен подход за подобряване на резултатите от островната трансплантация. Тези ползи са насочени към много от ключовите ограничения, които са попречили на островната трансплантация да се превърне в широкодостъпна възможност за лечение на диабет тип 1.

Елиминиране на хронична имуносупресия

И двата метода на капсулиране имат за цел да намалят имунното отхвърляне и да премахнат необходимостта от системна имуносупресия, като предлагат обещаващ път към подобрената островна жизнеспособност и функционалност при лечение с диабет тип 1.

Способността за предпазване на трансплантирани островни острови, без да се налага доживотна имуносупресивно лечение, представлява може би най-значимото предимство на капсулованата технология.

Чрез премахване на необходимостта от имуносупресивни лекарства, капсулиране технология може да направи остров трансплантация подходящ за много по-широка популация от диабет тип 1, не само тези с най-тежката и трудно да се управляват заболявания. Това може да трансформира остров трансплантация от последната-резортна лечение за малка подгрупа пациенти в жизнеспособна опция за много повече лица, борещи се с диабет управление.

Разширено оцеляване и функция на остров

Комбинирането на проектни принципи насърчава островната жизнеспособност за продължителността на проучването (4 месеца) след трансплантацията на нечовекоподобни примати без използване на имуносупресия. Оцеляването на остров Ксенографаж, бързото намаляване на кръвната захар и дългосрочния гликемичен контрол за повече от 200 дни са постигнати без имуносупресанти. Тези резултати показват, че правилно проектираните системи за капсулуване могат да подкрепят дългосрочната островна преживяемост и да функционират без необходимост от имуносупресивни лекарства.

Предпазващата среда, създадена чрез капсулуване, може потенциално да удължи функционалния жизнен цикъл на трансплантираните островчета отвъд това, което е постижимо само с имуносупресия. Чрез предпазване на островните острови от имунна атака и осигуряване на стабилна микроекологична среда, капсулирането може да помогне за запазване на островната функция през продължителни периоди, намаляване или премахване на необходимостта от повтарящи се трансплантации.

Включване на използването на алтернативни източници на клетки

Използването на микрокапсулиране би предпазило островните клетки от имунно отхвърляне, както и би позволило използването на животински клетки или генетично модифицирани инсулинопроизводство клетки. Инкапсулацията е била тествана върху всички първични човешки островчета, островни и произведени от стволови клетки от свине, и е възможно тези технологии да бъдат разработени така, че да отговарят на различните типове клетки и приложения на болести.

Едно от най-вълнуващите предимства на технологията за капсулиране е потенциалът й да позволи използването на алтернативни клетъчни източници извън човешките трупове. Недостатъкът на донори на органи представлява значително ограничение на тези процедури. Поради настоящите ограничения и поради това, че необходимите островни островчета са в кратко снабдяване, островната трансплантация е подходяща само за малка група хора с диабет тип 1.

При по-нататъшни опити за намаляване на имунното отхвърляне след трансплантация на ксеногенна островна островна островна трансплантация, островните клетки на свинете могат да бъдат капсулирани в защитен слой, за да се избегне разпознаването на имунните клетки.

Освен това, капсулиране технология може да улесни използването на стволови клетки-изработени островчета, които представляват друг потенциално неограничен източник на инсулин-производителни клетки. Изследвания в бета-клетъчна замяна е фокусиран върху разработване на мащабируеми решения, като например стволови клетки, получени островчета, в съчетание с локализирана имуносупресия. Предварителните резултати от текущите клинични проучвания предполагат, че трансплантацията на стволови клетки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Възстановимост и безопасност

За разлика от разпръснатите микрокапсулирани островни островни острови, при необходимост макрокапсулационните устройства могат да бъдат хирургически отстранени. Тази ретривабилност осигурява важна функция за безопасност, която позволява намеса, ако устройството не успее или предизвика неблагоприятни ефекти.

Клиничен прогрес и скорошно развитие

В областта на капсулираната островна трансплантация се наблюдава забележителен напредък през последните години, като няколко подхода напредват към клинични изпитвания и показват обещаващи резултати. Тези събития показват, че от лабораторни изследвания се придвижват от лабораторни към реални клинични приложения.

Стволово- отпаднали Islets в клинични изпитвания

До юни 2024 г. 12 пациенти са били дозирани; 11 от 12 пациенти са били маркирани с намаляване или пълна независимост на инсулина, като всички са имали HbA1c по- малко от 7, 0% и процент от времето, прекарано с глюкоза в целеви граници по- големи от 70% за непрекъснато проследяване на глюкозата. Тримата пациенти с над една година проследяване са отговаряли на първичната крайна точка за елиминиране на тежки хипогликемични епизоди с HbA1c по- малко от 7, 0% и вторичната крайна точка за независимост на инсулина.

Тези впечатляващи резултати с VX-880 показват потенциала на произведените от стволови клетки островчета да възстановят независимостта на инсулина и да постигнат отличен гликемичен контрол. Важно е обаче да се отбележи, че тези проучвания все още изискват имуносупресия. Следващата граница е комбинирането на островни клетки с капсулована технология за премахване на необходимостта от имуносупресивни лекарства.

Трансплантация на автоложна стемна клетъчна култура

Първо в човешка фаза I клинично проучване оценява възможността за автоложна трансплантация на химически индуцирани полово- индуцирани стволови клетки (CiCPS изолета) под коремната предна ректусна обвивка за лечение на диабет тип 1. Пациентът постига устойчива независимост на инсулина от 75 дни след трансплантацията. Времето в прицелния гликемичен диапазон на пациента се увеличава от изходното ниво от 43, 1.18% до 96.21% до месец 4 след трансплантацията, придружено от намаляване на гликирания хемоглобин, показател за дългосрочни системни нива на глюкозата при недиабетно ниво.

След това пациентът е представил състояние на стабилен гликемичен контрол, с време в таргетния гликемичен диапазон с повече от 98% и гликиран хемоглобин с около 5%. Този забележителен резултат показва потенциала на автоложната стволовоклетъчна клетъчна клетка да възстанови нормалния глюкозен контрол. Докато това проучване все още се използва имуносупресия, употребата на автоложни клетки (получени от собствените тъкани на пациента) представлява важна стъпка към намаляване на имунното отхвърляне.

Инкапсулирани клетъчни терапии

През 2017 г. ViaCyte проведе фаза 1/2 клинично изпитване (VC-02), използваща системата PEC-Encap, която капсулира pluripotent стволови клетки, получени от ендодермни клетки на панкреаса. Макар че ранните резултати от това проучване показаха, че капсулираните клетки могат да оцелеят и да произвеждат C-пептид (маркер на производството на инсулин), проучването разкри и предизвикателства, свързани с съдовостта и фибротичните отговори, които ограничават ефективността на подхода.

КрисPR Терапевти (преди в комбинация с ViaCyte) провеждат клинични проучвания първо в човешка фаза I с изследвания, неоформени, генно- редактирани, хипоимунни стволови клетки- получени ендодермни клетки за диабет тип 1. Клетките са капсулирани в устройство, което да се имплантира при пациенти без имуносупресивно лечение. Този подход съчетава множество технологии за авангардно редактиране на генни, стволови клетки неточно и капсулиране, за да се създаде цялостно решение на предизвикателствата на островната трансплантация.

Разширяване на трансплантацията на островни острови в FDA

На 25 ноември 2024 г. Университетът в Илинойс за здравеопазване в Чикаго започна терапия с LANTIDRA в партньорство с CellTrans. През 2024 г. CellTrans проведе обширни дискусии с регионални и национални програми за трансплантация на островни листа, целящи да стартират мултицентрово изпълнение до 2025 г. LANTIDRA е била покрита от повечето частни застрахователи в САЩ за пациенти с диабет тип 1. Освен това FDA наскоро одобри протоколите за корабоплаване на LANTIDRA за срока на годност на LANTIDRA до 48 часа, улеснявайки по-широкото разпространение.

Докато LANTIDRA представлява некапсулирана островна трансплантация, която изисква имуносупресия, одобрението и разширяването на наличността създават важна инфраструктура и клиничен опит, които ще подкрепят евентуалното предаване на капсулираните изолета за широко разпространена клинична употреба.

Предизвикателствата пред технологиите за капсулиране

Въпреки значителното обещание за капсулиране на технологиите, трябва да бъдат преодолени няколко съществени предизвикателства, преди тези подходи да могат да постигнат широко разпространен клиничен успех.

Отговор на чуждо тяло и фиброза

Основните ограничения за голямо клинично приложение включват голямата вариабилност на биоматериалите, с недостатъчна биосъвместимост, водеща до известна степен на реакции на чуждо тяло и прогресивни фиброзни реакции. Трансплантацията на капсулите води до отговор на приемници, който ще зависи от множество фактори (например клетки, материали, място на трансплантация и т.н.). Малко след трансплантация в тъканите, отговор на приемника към трансплантацията и материалът може да се състои от възпалителна реакция с близките кръвоносни съдове. С течение на времето възпалителният отговор ще се реши идеално без фиброза и ще позволи съдов растеж в близост до капсулата за обмен на хранителни вещества и хормони.

Когато тялото разпознава имплантиран материал като чужд, той инициира възпалителна каскада, която може да доведе до образуването на плътна фиброзна капсула около имплантираното устройство или микрокапсули. Тази фиброза действа като бариера, която ограничава разпространението на кислород и хранителни вещества до капсулираните островчета, потенциално водещи до дисфункционалност и смърт.

Известно е, че активираните макрофаги вкарват миофлорбласти, които депозират екстраклетъчни матрични протеини (колаген I/III, ламинин, фибриноген) във връзка с макрофагите, за да образуват ограничителната матрица на хранителните вещества. Разбирането на клетъчните и молекулярните механизми, които са в основата на реакцията на чуждо тяло, е от решаващо значение за разработването на стратегии за смекчаване на тази реакция.

Това допълнително подчертава прекъсването на връзката между нечовешки примати и най-предсказуемия модел за изследване на островни клетъчни заклинания. Тази специфична за вида разлика в чуждите телесни реакции е основно предизвикателство за превръщането на обещаващи резултати от изследванията на гризачи към човешките приложения.

Ограничения на кислорода и хранителните вещества

Хипоксия активира сигнала за апоптоза в бета клетките, което води до намаляване на жизнеспособността на островния остров. Освен това, ефективното разстояние на дисфункционално присадката на островния съд е 150 .200 μm, но диаметърът на макрокапсулата е по-голям от 1000 μm; това също така води до забавяне на времето за реакция на инсулина към промените в кръвната захар на приемника.

Осигуряването на адекватно кислородно снабдяване с капсулирани островни острови представлява критично предизвикателство. Излетите са силно метаболитни активни тъкани, които изискват значителен кислород, за да функционират правилно. В местния панкреас, островните острови са богато съдови, с кръвоносни съдове в непосредствена близост до всяка островна клетка. Въпреки това, капсулуването създава физическа бариера между островните острови и притока на кръв на приемника, увеличаване на дифузионното разстояние за кислород и потенциално създаване на хипоксични условия в капсулата.

Ограничението на дифузията на кислорода е особено проблематично за макроенкапсулационните устройства, които съдържат голям брой островни острови в една камера. Изстрелите в центъра на устройството може да са далеч от най-близките кръвоносни съдове, което води до кислородни градиенти в устройството. Това може да доведе до централна некроза, където островните острови в средата на устройството умират поради недостатъчен кислород, докато тези близо до периферията оцеляват.

Усъвършенстването на микроваскултурата има потенциал да подобри значително оцеляването на капсулираните островчета. Разгледани са различни стратегии за справяне с кислорода, включително включване на кислородни системи, насърчаване на съдопроизводството около устройството, както и оптимизиране на геометрията на устройството, за да се минимизира дистанционалното разстояние.

Биосъвместимост и материал Оптимизация

Дългосрочната трайност на биоматериалите in vivo ще трябва да бъде тествана и оптимизирана по специфичен начин. За превод производството на капсулиращите материали/устройства трябва да съответства на добрите производствени практики и стандартите на ISO обикновено съгласно регулирането на медицинските изделия.

Разработването на биоматериали, които са истински биосъвместими в дългосрочен план остава значително предизвикателство. Материали, които се справят добре в краткосрочни проучвания може да предизвика нежелани реакции, когато се имплантират в продължение на месеци или години. Отговорът на тялото към имплантирани материали може да се промени с течение на времето, с първоначално леки реакции потенциално прогресиращи до по-тежка фиброза или материална деградация.

Освен това изискванията за производство и контрол на качеството на материалите за капсулиране са строги. Има много златни стандартни биоматериали, използвани за капсулиране на островни острови, които са директни за масово производство. Въпреки това, осигуряване на последователно качество, стерилност и изпълнение в големи производствени партиди, представлява значителни технически и регулаторни предизвикателства.

Избор на място за трансплантация

Изборът на мястото на трансплантация значително влияе на успеха на капсулираната островна трансплантация. Различните анатомични места предлагат различни предимства и недостатъци по отношение на наличността на кислород, лекота на имплантиране, ретриевимост и имунни отговори на приемниците.

Перикапсуларната фиброзна overgrowth скор е допълнително намалена, когато Z1-Y15 сфери са трансплантирани в областта на бурсата оментелис в сравнение с общото интраперитонеално пространство, което може да бъде показателно за намаляване на материалната фиброза чрез ограничаване на слепването на сфера. In vitro оценките, извършени върху извлечените Z1-Y15 капсулираните островчета, показват функционални имплантирани ендокринни тъкани, което допълнително предполага, че мястото на трансплантация на бурса оменталис (нива на pO2 от 35, 0 ± 3,2 mmHg) могат да подкрепят капсулираните островчета, ако липсват фибротични растеж, за да се осигури свободен хранителен обмен.

Други потенциални места за трансплантация, които се изследват, включват подкожни пространства, омента и дори интрамускулно места. Всяко място представя уникални предизвикателства и възможности и определя оптималното място за капсулована островна трансплантация остава активна област на изследване.

Мащабиране и производствени предизвикателства

За подходите за микрокапсулиране това означава да се създадат милиони индивидуални микрокапсули, всяка от които отговаря на строги спецификации за размери, пропускливост и механични свойства.

Контролът на качеството е особено предизвикателство за капсулираните продукти от островни птици. Всяка партида трябва да бъде тествана за жизнеспособност на островните острови, функция, цялост на капсулата, стерилност и свобода от ендотоксини. Самият процес на капсулиране може да подчертае островните острови, потенциално намалявайки тяхната жизнеспособност и функция. Оптимизиране на протоколите за капсулиране, за да се сведе до минимум увреждането на островните отвори, докато поддържането на високата пропускателна способност е постоянно предизвикателство.

Нарастващи стратегии за преодоляване на предизвикателствата

Тези нови подходи оказват влияние върху напредъка в областта на науката, биоинженерството, имунологията и клетъчната биология, за да се създадат по-ефективни системи за капсулиране.

Разширен биоматериален дизайн

Въз основа на предишни проучвания, които обикновено използват една или две комбинирани стратегии за защита на островната функция на присадката, многофункционален капсулиран хидрогел модел с множество функции е пътят напред за развитие. С непрекъснатия напредък на технологиите, допълнителни модификации на полимерите трябва да постигнат по-висока степен на биологична съвместимост.

Тези мултифункционални материали могат да включват противовъзпалителни средства, про-ангиогенни фактори или имуномодулиращи молекули, за да се оформят активно реакцията на приемника, вместо просто да се осигури пасивна бариера. Химическите модификации на традиционните материали като алгинат се усъвършенстват, за да се минимизират чуждите телесни реакции, като същевременно се поддържа механична стабилност и пропускливост.

Изследователите изследват също биомиметичните материали, които по-точно наподобяват естествената екстраклетъчна матрица на панкреаса. Чрез включване на специфични протеини, растежни фактори, или структурни характеристики, намерени в местната островна микроекологична среда, тези материали имат за цел по-добра подкрепа на островното оцеляване и функция.

Съекскапсулация стратегии

Мезенхимните стромални клетки намаляват имунния отговор чрез освобождаване на цитокини и растежни фактори, а също така имат потенциал да индуцират ангиогенеза и ремонт на увредени тъкани. Съ-капсулиращите островни клетки с поддържащи клетъчни типове представляват обещаваща стратегия за подобряване на оцеляването и функцията на островните клетки. Мезенхимните стромални клетки, ендотелните клетки или други поддържащи клетъчни типове могат да бъдат включени в устройството за капсулиране, за да се осигури трофична подкрепа, да се насърчи съдовостта или модулирането на имунните отговори.

Включването на екстраклетъчни матрични компоненти, ендотелни клетки и съдов ендотелен растежен фактор в био-инкса може да направи отпечатания модел по-подобен на живата среда на островните клетки, като по този начин се подобри биологичната им функция. Този подход за създаване на по-пълна микроекологична среда в рамките на устройството за капсулиране може по-добре да поддържа дългосрочната островна преживяемост и функция.

3D печат и напреднало производство

Като цяло 3D печатът се разглежда като един от най-обещаващите подходи за капсулиране, тъй като може да произвежда клинично значими многокомпонентни устройства за кратък период от време.

Триизмерното биопринтиране предлага безпрецедентен контрол върху архитектурата и състава на капсулиращите устройства. Тази технология позволява създаването на сложни, многослойни структури с точно контролирани размери на порите, материални композиции и пространствени договорености от различни типове клетки. Биопринтиране може да произвежда устройства с оптимизирани геометрии, които минимизират дистанциите на дифузия, като същевременно се увеличава механичната стабилност.

Способността бързо да се прототипира и тества различни дизайни на устройства с 3D печат ускорява процеса на развитие. Изследователите могат бързо да итерат чрез множество промени в дизайна, за да се идентифицират оптимални конфигурации за конкретни приложения. Освен това 3D печат може да даде възможност за персонализирани дизайни на устройства, съобразени с нуждите на отделните пациенти.

Комбинация с генно редактиране

Този подход се улеснява чрез напредъка в генното редактиране на технологии, като например CRISPR-Cas9, които позволяват прецизното изменение на имунно-свързаните пътища за намаляване на имуногенността на присадката. Хипоимунното инженерство има потенциала да предефинира терапевтичния пейзаж на клетъчната терапия, като например островна трансплантация.

Комбинирането на капсулиране с генна редакция за създаване на хипоимунни островни е мощен синергичен подход. Генно-дифекционираните островчета с намалена имуногенност може да изискват по-малко здрава имунна защита, което позволява по-тънки пречки за капсулиране, които по-добре поддържат кислород и хранителни дифузия.

Исландските клетки, които са преекспресиращи PD-L1, осигуряват постоянна хомеостаза на кръвната захар, като човешките С-пептидни нива се корелират с гликемичен контрол повече от 50 дни. Инженерните островчета, които изразяват имуномодулиращи молекули като PD-L1, могат да помогнат за създаването на местна имуносупресивна среда, която допълва физическата бариера, осигурена от капсулуването.

Системи за доставка на кислород

Иновативни подходи за осигуряване на адекватно снабдяване с кислород се разработват, за да се отговори на една от най-критичните ограничения на капсулирането. Освен кислородопроизводството, споменати по-рано, изследователите проучват материали за пренос на кислород, системи за доставка на кислород на основата на перфлуоровъглерод и дизайни на устройства, които насърчават бързата съдовост около импланта.

Някои подходи включват стратегии за предсъдова васкуларизация, където имплантацията е подготвена предварително за насърчаване образуването на кръвоносните съдове преди капсулираните островчета да бъдат имплантирани. Това може да помогне да се гарантира, че е налице адекватна съдова мрежа, която да поддържа капсулираните островчета от момента на имплантирането.

Имуномодулаторни подходи

По-скорошни постижения в островната трансплантация произтичат от островни капсулиационни устройства, биоматериални платформи, освобождаващи имуномодулаторни съединения или повърхностно модифицирани с имунно регулиране лиганди, островно инженерство и съвместно трансплантация с аксесоари.

Вместо да разчитат единствено на физически бариери, системите за капсулиране от следващо поколение включват активни имуномодулатори стратегии. Те могат да включват контролирано освобождаване на противовъзпалителни лекарства, включване на имуномодулаторни молекули на повърхността на капсулата, или инженерство на самия материал капсула да има имуномодулиращи свойства.

Бъдещи указания и клиничен превод

Няколко стратегии са влезли или са наближават клинично проучване, включително имунно-изолиращи островни островни островни островни имплантации, инженерни имунно-привилегировани места, инсталационни островни островни инплантации, които правят островни имунни уклончиви и предизвикват имунна толерантност при трансплантирани островни острови.

Регулаторни пътеки и одобрение

Тези продукти съчетават биологични компоненти (изолите) с медицински изделия (системата за капсулиране), изискващи внимателно разглеждане на регулаторните изисквания и за двата аспекта. Регулаторните агенции трябва да оценят не само безопасността и ефикасността на капсулираните островни острови, но и биосъвместимостта и ефективността на капсулиращите материали и устройства.

Авторите обсъждат значението на това одобрение и критичните стъпки, необходими за разширяване на достъпа на пациентите, като мащабиране на производството, клинична интеграция, рамки за възстановяване, постмаркетингово наблюдение и инициативи за обучение на пациентите.

Обръщане към недостиг на донор

NIDDK в момента подкрепя изследванията за характеризиране и генериране на нови източници на инсулинопроизводителни клетки и за премахване на необходимостта от имуносупресивни лекарства. За да се преодолее недостигът на телесни островчета, изследванията се основават на поддържано от NIDDK забележително откритие, че прогениторните клетки могат да бъдат използвани за производство на големи количества β-подобни клетки в лабораторията.

Развитието на неограничени източници на инсулинопроизводителни клетки чрез стволови клетки технология, съчетана с капсулиране за премахване на необходимостта от имуносупресия, най-накрая може да направи островната трансплантация широкодостъпна възможност за лечение. С напредъка в технологията на стволовите клетки, неограничените стволови клетки- получени островни клетки могат да бъдат диференцирани in vitro и се оказват функционални in vivo в различни предклинични животински модели. По този начин, получени стволови клетки се появяват като обещаваща алтернатива на първичните островни клетки.

Комбинацията от произведени от стволови клетки островни острови с напреднали технологии за капсулиране представлява може би най-обещаващия път напред за извършване на островна трансплантация, достъпна за милиони хора, живеещи с диабет тип 1. Този подход се отнася както за големите ограничения на настоящата островна трансплантация: недостигът на островни островни острови и необходимостта от хронична имуносупресия.

Персонализирани подходи към медицината

Бъдещите капсулирани изолтови терапии могат да включват персонализирани лекарствени подходи, пригодяване на лечението към индивидуалните характеристики на пациента. Това може да включва използване на изолета, получени от автоложна стволови клетки, за да се елиминират алогенните имунни реакции, персонализиране на дизайна на устройството въз основа на анатомията на пациента, или избор на специфични материали за капсулиране въз основа на индивидуални имунни профили.

Използването на специфични за пациента индуцирани плурипотентни стволови клетки за генериране на автоложни островни клетки представлява вълнуваща възможност. Докато този подход е по-сложен и скъп, отколкото използването на алогенни клетки, той може потенциално да елиминира както алоимунно, така и автоимунно отхвърляне, особено когато се комбинира с подходящи стратегии за капсулиране и имуномодулиране.

Разширяване на приложения извън тип 1 диабет

Доказано е, че макрокапсулационните устройства се прилагат към сърдечно-съдови заболявания и лечение на клетки от CAR-T и показват обещаващи резултати. Тези клинични проучвания подчертават широкото приложение на тази терапия извън диабета.

Инкапсулирането може да даде възможност за клетъчни терапии за широк спектър от условия, включително други ендокринни заболявания, неврологични заболявания, чернодробна недостатъчност и рак. Принципите и технологиите, които се усъвършенстват за островна капсулулация могат да бъдат адаптирани, за да се защитят и доставят много различни видове терапевтични клетки.

Дългосрочно виждане

Необходими са повече подобрения за постигане на по- добра островна имуноизолация, без да се възпрепятства хранителния транспорт и терапевтичния прием на инсулин в рамките на подходящо проектираната за капсулиране матрица, която наподобява местната панкреатична микроекологична среда. Също така, са необходими повече проучвания за ефикасност в предклинични проучвания с по- големи животински модели, тъй като in vitro и предклинични проучвания с гризачи често не винаги водят до човешки отговор. В заключение, внимателната оптимизация на технологията за капсулиране ще ускори клиничния превод и конвенционалната употреба като терапевтична опция при захарен диабет.

Чрез комбиниране на експертиза в различните дисциплини, вариращи от електроинженерство до имунология, изследователите могат да започнат да се справят с многобройните предизвикателства, които участват в превода на заслепена клетъчна терапия от лабораторията в клиниката. Бъдещият успех изисква готовност за сътрудничество, за комбиниране на нови технологии "устройство" с "клетъчни" технологии и за разбиране на ограниченията на биологичната среда, в която трябва да съществува клетъчна терапия.

Крайната визия за капсулираната островна трансплантация е еднократна процедура, която осигурява дългосрочно или дори трайно възстановяване на нормалния глюкозен контрол без нужда от инжектиране на инсулин или имуносупресивни лекарства. Макар значителните предизвикателства да остават, забележителният напредък, постигнат през последните години, показва, че тази визия е все по-постижима. Продължаващите изследвания, клинични изпитвания и усъвършенстването на технологиите за капсулиране ни приближават до превръщането на това трансформиращо лечение в реалност за хората с диабет тип 1.

Заключение

Чрез осигуряване на защитна бариера, която защитава трансплантираните островни клетки от имунна атака, като позволява преминаването на хранителни вещества, кислород и инсулин, капсулиране предлага възможност за премахване на необходимостта от хронична имуносупресия.

Полето е постигнало забележителен напредък от ранната концептуална работа на Томас Ченг през 60-те години на миналия век до съвременните сложни системи за капсулиране, включващи напреднали биоматериали, генно-редактирани клетки, системи за доставка на кислород и имуномодулатори. Клиничните проучвания показват, че капсулираните островчета могат да оцелеят, функционират и осигуряват гликемичен контрол при пациенти, утвърждавайки фундаменталната концепция, като същевременно разкриват предизвикателствата, които трябва да бъдат преодолени.

Въпреки това, изследователите активно разработват иновативни решения на тези предизвикателства чрез усъвършенстван биоматериален дизайн, 3D печат, стратегии за съвместно енкапсулиране и комбинирани подходи, които интегрират капсулирането с генно редактиране и имуномодулиране.

Конвергенцията на множество технологични постижения, включително стволови клетки, получени от островни клетки, сложни системи за капсулиране, генно редактиране и напреднали производствени дейности, създава безпрецедентни възможности за най-накрая реализиране на пълния потенциал на островната трансплантация. Когато се комбинира с неограничени източници на инсулинопроизводителни клетки от стволови клетки технологии, капсулирането може да трансформира островната трансплантация от лечение, достъпно само до малка група пациенти в широко достъпна терапия, която може да се възползва милиони хора, живеещи с диабет тип 1.

Докато изследванията продължават и клиничните проучвания напредват, мечтата за функционално лечение на диабет тип 1 чрез капсулиране на островна трансплантация става все по-осезаема. Докато предизвикателствата остават, напредъкът, постигнат до момента, дава силна причина за оптимизъм, че технологиите за капсулиране ще играят централна роля в бъдещото лечение на диабета и потенциално много други заболявания, които могат да се справят с клетъчните терапии.

За повече информация относно Islet трансплантацията и изследванията на диабета, посетете Национален институт по диабет и делителна и бъбречна болест, Американската асоциация по диабет, JDRF[[, ]Изследванията за трансплантация на природата и Фронтие в имунологията за последните развития в тази бързо развиваща се област.