Il diabete mellito colpisce oltre 500 milioni di persone in tutto il mondo, e per molti, il raggiungimento di un adeguato controllo glicemico rimane elusivo nonostante la terapia intensiva dell'insulina. Il trapianto di cellule di Islet offre una potenziale cura ripristinando la secrezione dell'insulina endogena, ma la sua adozione diffusa è stata limitata dalla necessità di ingegneria del diabete per tutta la vita per prevenire il rifiuto e dalla perdita graduale della funzione di innesto.

Sfondo su Islet Trapianto di Celle

Il concetto di trapianto di isolotti insulina di Langerhans risale agli anni '70, ma non fu fino al punto di riferimento del protocollo Edmonton nel 2000 che fu raggiunto il successo riproducibile. Questo protocollo dimostrò che le isolotte di più donatori potevano ripristinare la regolazione del glucosio quasi normale nei pazienti con diabete di tipo 1, anche se con immunosoppressione aggressiva.

Tuttavia, due ostacoli fondamentali hanno impedito il trapianto di isolotto di diventare una terapia standard. In primo luogo, la fornitura di pancreas donatori è gravemente limitata. Secondo, l'immunosuppressione a lungo termine comporta gravi rischi tra cui l'infezione, la malignità, la nefrotossicità e le complicanze metaboliche. Inoltre, anche con immunosoppressione, la maggior parte degli isolotti trapiantati sono persi persi nelle prime settimane a causa di una combinazione di una reazione auto-mediante dell'idrogeno.

La tecnologia di incapsulamento mira a affrontare la barriera immunitaria creando una separazione fisica tra gli isolotti donatori e il sistema immunitario ospitante, eliminando la necessità di immunosoppressione sistemica e ampliando così l'ammissibilità dei pazienti per questo intervento potenzialmente curativo.

Che cosa è la tecnologia di incapsulamento?

L'incapsulamento racchiude le cellule dell'islet all'interno di una membrana semipermeabile che permette la diffusione bidirezionale di glucosio, ossigeno, nutrienti e insulina, bloccando il passaggio delle cellule immunitarie, immunoglobuline e altre molecole di grandi dimensioni che potrebbero innescare il rifiuto.

Un dispositivo di incapsulamento di successo deve soddisfare diversi criteri di progettazione: deve essere biocompatibile, promuovere la vitalità cellulare a lungo termine, resistere alla fibrosi e alla fouling proteico, consentire un facile recupero o sostituzione, ed essere manufacturable a scala.

Tipi di dispositivi di incapsulamento

I sistemi di incapsulamento sono largamente divisi in microincapsulamento e macroincapsulamento, ciascuno con vantaggi e limitazioni distinti.

  • L'aggiunta di micro-etilene è ridotta, in genere, a 300-800 μm di diametro. Queste capsule sono prodotte utilizzando idrogeli alginati derivati dall'alga bruna, spesso collegati tra loro con ioni di calcio o di bario.
  • Macroencapsulation: I dispositivi più grandi, in genere i dischi planari, le fibre cave, o i sacchetti cilindrici, contengono centinaia a migliaia di isolotti all'interno di un singolo impianto. I Macrodevices sono chirurgicamente impiantati in siti sottocutanei, omentali o intraperitoneali, e possono essere progettati per la riprogrammazione se necessario.

Avanzamenti recenti in materiali

La ricerca sui biomateriali è stata una forza trainante per migliorare la tecnologia dell'incapsulamento. Il materiale standard dell'oro, alginato, è stato raffinato attraverso modifiche chimiche che migliorano la biocompatibilità e riducono la risposta del corpo straniero. Ad esempio, alginati triazole-modificati con una minima contaminazione dell'endotossina sono stati mostrati per resistere a sovrapposizioni di primati non umani per oltre sei mesi.

I materiali ibridi che combinano l'alginato con altri polimeri stanno anche guadagnando trazione. I microcapsuli covalentemente collegati alginato-PEG presentano una migliore stabilità meccanica e una più sottile capsula fibrotica che circonda l'impianto.

Le nanotecnologie stanno aprendo anche nuove vie. Le nanoparticelle di silice mesoporose possono essere incorporate nelle pareti delle capsule per fornire un rilascio prolungato di farmaci immunosoppressivi o anti-infiammatori, come il tattolimo o il dexamethasone, direttamente al microambiente di innesto.

Innovazioni nel design dei dispositivi

Oltre ai materiali, l'architettura fisica dei dispositivi di incapsulamento si è evoluta per affrontare limitazioni critiche nel trasporto di massa, l'ossigenazione e l'integrazione con la vascolatura ospitante.

Sistemi di alimentazione ossigeno

Le cellule di Islet sono altamente metabolicamente attive e consumano ossigeno a tassi dieci volte superiori alla maggior parte degli altri tipi di cellule. Nell'ambiente avascolare di un dispositivo di incapsulamento, la diffusione di ossigeno è fortemente constrainata, portando alla necrosi centrale e alla perdita di secrezione di insulina. Diversi progetti di dispositivo ora incorporano sistemi di consegna ossigeno dedicati.

Strategie di vascolarizzazione

I nuovi modelli incorporano impalcature porose o microcanali che incoraggiano i vasi sanguigni a crescere in o intorno al dispositivo, avvicinando ossigeno e nutrienti alle cellule incapsulate.

Rivestimenti anti-infiammatori e anti-fibrotici

Anche con materiali biocompatibili, la risposta del corpo esterno può portare alla formazione di una densa capsula fibrotica intorno all'impianto, bloccando la diffusione del glucosio e dell'insulina. I ricercatori stanno applicando rivestimenti superficiali che sopprimano attivamente questa risposta. Per esempio, la deposizione di uno strato sottile di polimero di dexamethasone-releasing sulla superficie del dispositivo riduce localmente l'infiammazione senza effetti sistemici.

Permeabilità regolabile e dispositivi intelligenti

La prossima generazione di dispositivi di incapsulamento può incorporare caratteristiche “smart” che permettono il sintonizzazione post-impianto di permeabilità della membrana o cinetica di rilascio. Ad esempio, polimeri termoresponsabili che cambiano le dimensioni del poro in risposta ad un aumento della temperatura locale potrebbe consentire il rilascio controllato di insulina in risposta a iperglicemia.

Progresso preclinico e clinico

La strada da panchina a lato letto ha visto diversi miglioni notevoli. Il dispositivo Encaptra di ViaCyte, che utilizza un formato di macroincapsulamento planare con una membrana vascolarizzazione esterna, è stato il primo ad entrare in studi clinici per il trapianto di isolotto umano.

Il dispositivo βAir di Beta-O2 ha mostrato risultati più robusti, con diversi pazienti che ottengono l'indipendenza dell'insulina o significative riduzioni dei requisiti dell'insulina, anche se richiedono rifornimenti di ossigeno giornalieri. Il dispositivo è stato valutato in fase I/II test in Europa, e un dispositivo di follow-up con una migliore capacità di ossigeno è in fase di sviluppo.

Per la microincapsulazione, Diatranz Otsuka (oggi Living Cell Technologies) ha condotto studi clinici con isolotti di porcine alginate-incapsulati (DIABECELL) come approccio di xenotrapianto. Mentre la sicurezza immunologica è stata dimostrata, l'efficacia nella riduzione dei requisiti di insulina è stata modesta.

Le direzioni e le sfide future

Nonostante i progressi sostanziali, diverse sfide devono essere superate prima che la terapia isolotta incapsulata possa diventare un trattamento di routine. La fibrosi rimane il problema più persistente: anche con materiali migliorati, un certo grado di sovracrescita della capsula si verifica in un sottoinsieme di impianti, portando a un fallimento progressivo dell'innesto.

Mentre i dispositivi come βAir dimostrano che la consegna di ossigeno esterno funziona, la necessità di ricaricare quotidianamente è una limitazione pratica. I ricercatori stanno perseguendo la generazione di ossigeno autonomo, come attraverso alghe fotosintetiche incorporate o strati elettrochimici di acqua-splitting, ma questi approcci sono anni dalla prontezza clinica. Una soluzione intermedia potrebbe coinvolgere l'uso di emulsioni perfluorocarbone di carrizzamento di ossigeno in cui possono essere.

La produzione di microcapsule o centinaia di macrodispositivi con proprietà uniformi e sterilità è una sfida di ingegneria non banale. I progressi in microfluidici e sistemi di incapsulamento basati sul flusso stanno migliorando la produttività e riducendo la variabilità di lotto-batch. Inoltre, la sourcing di isolotti, sia dal pancreas donatore che dalla differenziazione delle cellule staminali, sono coordinate.

Guardando oltre, la combinazione di incapsulamento con strategie immunomodulatorie, come la co-incapsulamento con cellule T regolamentari o cellule stromal mesenchymal, potrebbe creare un microambiente tolerogenico che protegge ulteriormente l'innesto. Inoltre, la convergenza di incapsulamento con l'editing genico (ad esempio, generando “donatore universale” isolotti che sono immuno-evasivi) può eventualmente rimuovere la necessità di barriera fisica

L'obiettivo finale è una terapia cellulare completamente funzionale, ritorgibile e duratura che normalizza i livelli di glucosio senza il peso delle iniezioni giornaliere di insulina o immunosoppressione. I progressi descritti qui ci avvicinano a tale obiettivo, e diversi prodotti sono alla base di test clinici cardine. Con continui investimenti e collaborazione interdisciplinare, trapianto di isolotti incapsulati potrebbe trasformare il paesaggio di diabete cura entro il prossimo decennio.