परिचय: मधुमेह थेरेपी में एक नया फ्रंटियर

डायबिटीज मेलेटस, विशेष रूप से टाइप 1 डायबिटीज (T1D), दुनिया भर में लगभग 9 मिलियन व्यक्तियों को प्रभावित करने वाला वैश्विक स्वास्थ्य संकट है। वर्तमान प्रबंधन exogenous इंसुलिन प्रशासन, सतत ग्लूकोज निगरानी और जीवन शैली समायोजन पर निर्भर करता है - लेकिन ये उपाय रोग को ठीक नहीं करते हैं और अक्सर लंबे समय तक जटिलताओं जैसे रेटिनोपैथी, नेफ्रोपैथी और कार्डियोवैस्कुलर बीमारी को रोकने में विफल रहते हैं। दशकों तक, एक कार्यात्मक इलाज के लिए सोने का मानक अग्नाशय आइसलेट कोशिकाओं का प्रत्यारोपण किया गया है, जो कि आइलेट प्रत्यारोपण के रूप में जाना जाता है। हालांकि, गंभीर डोनर की कमी और आजीवन इम्यूनोसप्रेशन की आवश्यकता इसके व्यापक उपयोग को सीमित करती है।

आइलैट सेल को समझना और मधुमेह में उनकी भूमिका

एक कैंसर कोशिकाओं में एक कोशिका है जिसे लैंगेरिया के अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग अलग

आइलैट प्रत्यारोपण - एक प्राप्तकर्ता के यकृत की पोर्टल नस में डोनर-व्युत्पन्न आइसलेट को संक्रमित करता है- कुछ रोगियों को पांच साल या उससे अधिक के लिए इंसुलिन स्वतंत्रता प्राप्त करने की अनुमति देता है। हालांकि, प्रक्रिया गंभीर बाधाओं का सामना करती है: संभावित प्राप्तकर्ताओं के 1% से कम मृत दाताओं की कमी के कारण प्रत्यारोपण प्राप्त करते हैं, और पृथक आइसलेट इस्केमिक क्षति, खराब वृद्धि और इम्यूनसअपप्रेशन के बावजूद घटनात्मक अस्वीकृति से पीड़ित हैं। दीर्घकालिक इंसुलिन स्वतंत्रता दर लगातार घटती है, केवल पांच वर्षों के बाद शेष इंसुलिन-मुक्त प्राप्तकर्ताओं का 50%।

आइलैट सेल प्रोडक्शन के लिए 3 डी बायोप्रिंटिंग का वादा

तीन आयामी जैव मुद्रण एक additive विनिर्माण तकनीक है जो ऊतकों की तरह संरचनाओं के निर्माण के लिए सटीक स्थानिक व्यवस्था में जीवित कोशिकाओं, विकास कारकों और जैव सामग्री को जमा करती है। पारंपरिक 2D सेल संस्कृति के विपरीत, जो मूल आइसलेट के जटिल सूक्ष्मजीव को दोहराने में विफल रहता है, बायोप्रिंटिंग three-dimensional आर्किटेक्चर, सेल-सेल इंटरेक्शन, और ऑक्सीजन / पोषक तत्व gradients को उचित अंतःस्रावी कार्य के लिए आवश्यक है। शोधकर्ता अब इस तकनीक का लाभ उठा रहे हैं ताकि इस तकनीक को स्क्रैच से कार्यात्मक आइसलेट ऊतकों का निर्माण किया जा सके, स्टेम सेल-व्युत्पन्न बीटा कोशिकाओं या अन्य सेल स्रोतों का उपयोग किया जा सके।

बायोंक्स: बायोप्रिंटेड आइसलेट के बिल्डिंग ब्लॉक

प्रक्रिया एक bioink-एक हाइड्रोजेल आधारित सामग्री है जो जीवित कोशिकाओं को encapsulate करती है और मुद्रण के दौरान और बाद में संरचनात्मक समर्थन प्रदान करती है। बायोइंक जैवसंगत होना चाहिए, सेल प्रसार और भेदभाव की अनुमति देना, मुद्रण के लिए उपयुक्त rheological गुण रखने के लिए, और नियंत्रित दर पर गिरावट के रूप में कोशिकाओं अपने स्वयं के मैट्रिक्स का उत्पादन करते हैं। उन्हें प्राकृतिक और सिंथेटिक प्रकारों में वर्गीकृत किया जा सकता है:

  • ]प्राकृतिक बायोइंक में अलगिनेट (समुद्री शैवाल से प्राप्त), कोलेजन, हाइलूरोनिक एसिड, जिलेटिन मेथाक्राइलोलाइल (GelMA) शामिल हैं, और डिसेलुलराइज्ड अग्नाशय एक्स्ट्रासेलुलर मैट्रिक्स (DECM)। Alginate का व्यापक रूप से इसके तेजी से जेलेशन और कम इम्युनोजेनिकता के कारण उपयोग किया जाता है, लेकिन इसमें स्तनधारी कोशिका-बाध्यकारी रूपांकनों की कमी होती है। DECM मूल जैव रासायनिक cues को संरक्षित करता है जो बीटा-सेल अस्तित्व और कार्य को बढ़ावा देता है।
  • ]Synthetic bioinks जैसे कार्यात्मक पॉलीथीन ग्लाइकोल (PEG) hydrogels ट्यूनेबल यांत्रिक गुण और गिरावट की दर प्रदान करते हैं। उन्हें विशिष्ट पेप्टाइड्स (जैसे, RGD फॉर सेल आसंजन) पेश करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है या नियंत्रित तरीके से विकास कारकों को जारी करने के लिए इंजीनियर किया जा सकता है।

कई शोधकर्ता अब हाइब्रिड बायोइंक का उपयोग करते हैं जो जैव-सक्रियता और यांत्रिक स्थिरता दोनों को प्राप्त करने के लिए प्राकृतिक और सिंथेटिक घटकों को जोड़ते हैं।

मुद्रण रणनीतियाँ और तकनीक

एकाधिक जैव मुद्रण तकनीकों का पता लगाया जा रहा है, प्रत्येक विशिष्ट लाभ और सीमाओं के साथ:

  • Extrusion आधारित मुद्रण - सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया गया, जहां बायोंक को वायवीय या यांत्रिक दबाव द्वारा नोजल के माध्यम से मजबूर किया जाता है। यह उच्च सेल घनत्व (107 कोशिकाओं / एमएल तक) प्रदान करता है और बड़े निर्माण के लिए उपयुक्त है, लेकिन कतरनी तनाव के लिए कोशिकाओं के अधीन हो सकता है। हाल के सुधार एक कोर-शेल संरचना बनाने के लिए समाक्षीय नलिका का उपयोग करते हैं, जिससे संवहनी चैनलों के निर्माण को सक्षम बनाया जा सकता है।
  • ]Inkjet (droplet आधारित) मुद्रण – बायोंक के माइक्रोड्रॉपलेट जमा करने के लिए थर्मल या पीजोइलेक्ट्रिक दालों का उपयोग करता है। यह तेजी से है और कई सेल प्रकार के एक साथ प्रिंट कर सकता है, लेकिन सेल घनत्व कम है और नोजल क्लॉगिंग हो सकता है। यह विधि छोटे, वर्दी spheroids बनाने के लिए बेहतर अनुकूल है।
  • लेजर-सहायता प्राप्त जैव मुद्रण (LAB) - एक सब्सट्रेट पर एक रिबन से सेल-लेडन बूंदों को स्थानांतरित करने के लिए एक लेजर का उपयोग करता है। यह उच्च संकल्प और एकल सेल परिशुद्धता प्रदान करता है, हालांकि यह धीमी और अधिक महंगा है। LAB अत्यधिक परिभाषित संरचनाओं की छोटी संख्याओं को मुद्रित करने के लिए आदर्श है।
  • ]माइक्रोफ्लोडिक बायोप्रिंटिंग - आकार और संरचना पर सटीक नियंत्रण के साथ सेल-लेडन बूंदों या फाइबर उत्पन्न करने के लिए माइक्रोफ्लोडिक चैनलों का उपयोग करता है। यह तकनीक हजारों समान आइसलेट ऑर्गनोइड प्रति मिनट का उत्पादन कर सकती है, जैसा कि हाल के उच्च-थ्रूपुट अध्ययनों में प्रदर्शित किया गया है।

कार्यात्मक आइलेट्स का उत्पादन करने के लिए, शोधकर्ता अक्सर 100-300 माइक्रोमीटर के व्यास के साथ-साथ मूल आइसलेट्स के समान - या ]whole islet-like organoids]]] को मुद्रित करते हैं। मुद्रित संरचनाएं तब एक बायोरेक्टर में विकसित की जाती हैं जो पोषक तत्वों और ऑक्सीजन को ख़त्म करती हैं, परिपक्वता और इंसुलिन स्राव क्षमता को बढ़ावा देती हैं।

बायोप्रिंटेड आइलेट्स के लिए सेल स्रोत

बायोप्रिंटेड आइलेट्स की सफलता उपयोग की जाने वाली कोशिकाओं की गुणवत्ता और स्थिरता पर निर्भर करती है। मृतकों से प्राथमिक मानव आइलेट्स दुर्लभ हैं और गुणवत्ता में भिन्न होते हैं। इसलिए, अधिकांश शोध स्टेम सेल-व्युत्पन्न बीटा कोशिकाओं पर केंद्रित है:

  • Human प्रेरित pluripotent स्टेम कोशिकाओं (iPSCs) एक रोगी की अपनी कोशिकाओं (जैसे, त्वचा या रक्त) से ली जा सकती है और इंसुलिन पैदा करने वाले बीटा कोशिकाओं में अलग हो सकती है। यह दृष्टिकोण ऑटोलॉगस प्रत्यारोपण की अनुमति देता है, जो प्रतिरक्षा की आवश्यकता को समाप्त करता है। हालांकि, भेदभाव प्रोटोकॉल जटिल और पैदावार कोशिकाएं हैं जो पूरी तरह से परिपक्व नहीं हैं।
  • Human भ्रूण स्टेम सेल (hESC) एक अच्छी तरह से characterized, pluripotent स्रोत प्रदान करते हैं जिसे अनिश्चित काल तक विस्तारित किया जा सकता है। Vertex और ViaCyte जैसी कंपनियों में HESC-derived pancreatic progenitors का उपयोग करके नैदानिक चरण कार्यक्रम हैं। इन कोशिकाओं को व्यवस्थित संरचनाओं में बायोप्रिंट करने से उनकी engraftment और कार्य में सुधार हो सकता है।
  • Gene-edited सार्वभौमिक दाता लाइनों एक "off-the-shelf" विकल्प के रूप में उभर रहे हैं। HLA जीन को हटाने और प्रतिरक्षा-अवरोध अणु डालने से, शोधकर्ता बीटा कोशिकाओं बना सकते हैं जो प्राप्तकर्ता की प्रतिरक्षा प्रणाली द्वारा मान्यता प्राप्त नहीं हैं। जब बायोप्रिंटिंग के साथ संयुक्त हो जाता है, तो ये कोशिकाएं मानकीकृत, सार्वभौमिक रूप से संगत आइलेट ग्राफ्ट्स पैदा कर सकती हैं।

हाल ही में ब्रेकथ्रू और रिसर्च हाइलाइट्स

पिछले तीन वर्षों में क्षेत्र नाटकीय रूप से तेजी से बढ़ गया है। नीचे उल्लेखनीय मील के पत्थर हैं:

ये अग्रिमों का प्रदर्शन है कि बायोप्रिंटेड आइलेट सेल मूल आइसलेट फिजियोलॉजी के प्रमुख पहलुओं को फिर से पहचान सकते हैं, जिससे उन्हें नैदानिक अनुप्रयोग के करीब ले जाया जा सकता है।

मधुमेह उपचार के लिए प्रभाव

प्रत्यारोपण योग्य प्रयोगशाला के उत्पादन की क्षमता, बायोप्रिंटिंग के माध्यम से प्रयोगशाला में उगाए जाने वाले आइलेट सेल कई तरीकों से मधुमेह प्रबंधन में क्रांति ला सकते हैं:

  • ]Eliminating दाता निर्भरता - स्टेम सेल-व्युत्पन्न बीटा कोशिकाओं को अनिश्चित काल तक विस्तारित किया जा सकता है, जिससे असीमित आपूर्ति की जा सकती है। जैव मुद्रण के साथ संयुक्त, मानकीकृत आइलेट उत्पादों को पैमाने पर निर्मित किया जा सकता है, जो वर्तमान में दाता पूल से बाहर लाखों रोगियों को प्रत्यारोपण उपलब्ध कराता है।
  • ]व्यक्तिगत उपचार - ऑटोलॉगस आइलेट्स बनाने के लिए रोगी के अपने iPSC का उपयोग इम्युनोसप्रेशन के बिना प्रतिरक्षा अस्वीकृति से बच जाएगा। यह दृष्टिकोण अधिक महंगा और समय लेने वाला है लेकिन मुश्किल से नियंत्रित मधुमेह वाले रोगियों के लिए आरक्षित किया जा सकता है या जो एलर्जी प्रत्यारोपण के लिए उम्मीदवार नहीं हैं।
  • ]]incapsulation के माध्यम से प्रतिरक्षा संरक्षण - Bioprinted islets इम्युनोइसिलेशन उपकरणों के भीतर encapsulated किया जा सकता है (जैसे, alginate मोती, बहुलक कैप्सूल) कि ग्लूकोज और इंसुलिन प्रसार की अनुमति देते हुए प्रतिरक्षा कोशिकाओं और एंटीबॉडी को अवरुद्ध करता है। हाल के डिजाइनों में एक 3D-प्रिंटेड छिद्र कक्ष शामिल है जो encapsulated islets के संवहनीकरण की अनुमति देता है, दीर्घायु में सुधार। ये उपकरण प्रणालीगत इम्यूनोसअपप्रेशन की आवश्यकता को समाप्त कर सकते हैं।
  • ]off-the-shelf allogeneic उत्पादों – कई जैव प्रौद्योगिकी कंपनियों को संशोधित HLA जीन के साथ सार्वभौमिक दाता सेल लाइनों को विकसित कर रहे हैं ताकि इम्युनोजेनिटी को कम किया जा सके। जब बायोप्रिंटिंग के साथ संयुक्त हो जाता है, तो ये किसी भी प्राप्तकर्ता के लिए उपयुक्त "universal islet grafts" पैदा कर सकता है। Vertex की VX-880 थेरेपी (गैर-bioprinted) पहले से ही चरण I / II परीक्षणों में वादा दिखा चुकी है, और बायोप्रिंटेड संस्करण सेल रिटेंशन और फंक्शन में सुधार कर सकते हैं।
  • जीवन सुधार की गुणवत्ता – भंगुर मधुमेह (अक्सर hypoglycemia अनजाने में) के रोगियों के लिए, यहां तक कि एक बायोप्रिंटेड ग्रेफ्ट से आंशिक इंसुलिन स्वतंत्रता जीवन की गुणवत्ता में काफी सुधार होगा, ग्लूकोज निगरानी के बोझ को कम करेगा, और गंभीर हाइपोग्लाइसेमिक घटनाओं के जोखिम को कम करेगा।

की चैलेंज्स फेसिंग बायोप्रिंटेड आइलैट सेल

आशाजनक परिणामों के बावजूद, ये बाधाएं पर्याप्त रहती हैं:

  • लंबी अवधि व्यवहार्यता और कार्य - प्रयोगशाला के निर्माण अक्सर अपर्याप्त संवहनीकरण, पोषक तत्वों के प्रसार की सीमाओं और सेलुलर संवेदनशीलता के कारण सप्ताह के बाद इंसुलिन स्राव खो देते हैं। वर्षों के लिए कार्य करने वाले टिकाऊ grafts को प्राप्त करना आवश्यक है। पूर्व संवहनीकरण, ऑक्सीजन-रिलीजिंग पाड़ जैसे रणनीतियां, और प्रो-सुरवीय कारकों का उपयोग जांच के तहत है लेकिन अभी तक नैदानिक नहीं है।
  • ]Immune अस्वीकृति – यहां तक कि ऑटोलॉगस कोशिकाओं के साथ, टाइप 1 मधुमेह में ऑटोइम्यून प्रतिक्रिया फिर से प्रत्यारोपण बीटा कोशिकाओं को नष्ट कर सकती है। बीटा कोशिकाओं पर अंतर्निहित ऑटोइम्यून हमले जारी रहता है, और अतिरिक्त प्रतिरक्षा मॉडुलन के बिना, ऑटोलॉगस ग्राफ्ट को लक्षित किया जा सकता है। इनकैप्सुलेशन और विनियामक टी-सेल थेरेपी को इस पते पर जाने के लिए विकसित किया जा रहा है।
  • Scalability and Manufacturing Continuous – एक प्रतिनिधि में प्रति मरीज कार्यात्मक आइलेट के लाखों का निर्माण, जीएमपी-अनुभवी तरीके से एक दुर्जेय इंजीनियरिंग चुनौती है। बैच-टू-बैच की वैरिएबिलिटी बायोंक्स, सेल क्वालिटी और प्रिंटिंग मापदंडों में कम से कम होना चाहिए। हाल ही में विकसित उच्च-थ्रूपुट विधियां एक कदम आगे हैं, लेकिन फिर भी उन्हें कठोर गुणवत्ता नियंत्रण की आवश्यकता होती है।
  • Implant साइट चयन – यकृत (पोर्टल नस) पारंपरिक प्रत्यारोपण स्थल रहा है, लेकिन यह प्रतिरक्षात्मक दवाओं के उच्च सांद्रता के लिए खराब ऑक्सीजन तनाव और आइसलेट्स को उजागर करता है। वैकल्पिक साइट जैसे कि omentum, subcutaneous अंतरिक्ष, या ऑक्सीजन आपूर्ति के साथ एक subcutaneous उपकरण का परीक्षण किया जा रहा है। प्रत्येक साइट ने जैव-मुद्रित निर्माण पर विभिन्न यांत्रिक और प्रतिरक्षात्मक बाधाओं को लागू किया। उदाहरण के लिए, omental थैली, अच्छी तरह से संवहनीकृत है लेकिन बड़े निर्माण के लिए अंतरिक्ष की कमी हो सकती है।
  • Cost और नियामक hurdles – उन्नत सेल थेरेपी उत्पादों के निर्माण के लिए महंगा है। जीएमपी ग्रेड iPSC भेदभाव की लागत अकेले प्रति रोगी $100,000 से अधिक हो सकती है। बायोप्रिंटेड आइलेट उत्पादों को संयोजन उत्पादों (सेल + डिवाइस) के रूप में वर्गीकृत किया गया है, जो अनुमोदन पथमार्ग में जटिलता को जोड़ती है। एफडीए और ईएमए जैसी नियामक एजेंसियों को व्यापक प्रीक्लिकेशनल सुरक्षा और प्रभावकारिता डेटा की आवश्यकता होती है, जिसमें दीर्घकालिक पशु अध्ययन और विषाक्तता मूल्यांकन शामिल हैं। ये कारक वर्षों तक नैदानिक अपनाने में देरी कर सकते हैं।
  • Ethical विचार [ - HESC और iPSC का उपयोग कोशिका सोर्सिंग, सूचित सहमति और ट्यूमर गठन (teratomas) की क्षमता के बारे में नैतिक प्रश्न उठाता है यदि अभेद्य कोशिकाओं बने रहे हैं। बायोप्रिंटिंग इन जोखिमों को खत्म नहीं करता है; इसके बजाय, यह जैव-संगत सामग्रियों की आवश्यकता को पूरा करता है जिसे दीर्घकालिक सुरक्षा के लिए पूरी तरह से परीक्षण किया जाना चाहिए।

भविष्य निर्देश: 3D बायोप्रिंटेड आइलेट्स के लिए अगला क्या है

क्षेत्र तेजी से आगे बढ़ रहा है। प्रमुख अनुसंधान दिशाओं में शामिल हैं:

निष्कर्ष

3D बायोप्रिंटिंग आइसलेट सेल उत्पादन के परिदृश्य को फिर से तैयार कर रहा है, जो असीमित, मानकीकृत और कार्यात्मक इंसुलिन उत्पन्न करने वाले ऊतकों को पथ प्रदान करता है। जबकि दीर्घकालिक व्यवहार्यता, प्रतिरक्षा अस्वीकृति और स्केलेबल विनिर्माण में चुनौतियों को जारी रखा गया है, नवाचार की गति को प्रोत्साहित किया जाता है। स्टेम सेल जीवविज्ञान, सामग्री विज्ञान और इंजीनियरिंग को विलय करके, शोधकर्ताओं को भविष्य में तेजी से आगे बढ़ना चाहिए जहां जैव-मुद्रित आइसलेट कोशिकाओं मधुमेह के लिए एक नियमित चिकित्सा बन सकती है - दैनिक इंजेक्शन से लाखों लोगों को मुक्त करना और लगातार ग्लूकोज निगरानी के बोझ को रोकना। जारी किए गए अंतर-अनुशासनिक सहयोग, निवेश और विचारात्मक नियामक डिजाइन को अगले पांच वर्षों में दस वर्षों तक पूरा करने के लिए उन प्रयोगशाला उपलब्धियों का अनुवाद करना आवश्यक होगा।