Promessa dei dispositivi di pancreas bioartificiali

Il diabete mellito, in particolare il diabete di tipo 1, colpisce milioni di persone in tutto il mondo e richiede una gestione permanente attraverso la terapia dell'insulina. Mentre le pompe di insulina esterne e i monitor di glucosio continui hanno migliorato il controllo glicemico, non replicano la regolazione precisa e in tempo reale di un diabete sano di rilascio di insulina.

Come funzionano i dispositivi di pancreas bioartificiali

Un pancreas bioartificiale è un sistema ibrido che integra le cellule di isolotto vivibili all’interno di una membrana semipermeabile o di un ponteggio. Il dispositivo viene impiantato sottocutaneamente, intraperitonealmente, o in un sito omentale, dove si interfaccia con la vascolatura dei farmaci dell’organismo. Il principio chiave di progettazione è quello di creare una barriera che impedisce alle cellule immunitarie e agli anticorpi di raggiungere gli isolotti, permettendo la diffusione dell’ossigeno di glucosio.

Componenti chiave

Gli elementi critici di un pancreas bioartificiale includono:

  • Materiale di incapsulamento[[] – Tipicamente un idrogel come alginato, agarose, o polietilene glico (PEG) che forma una capsula biocompatibile intorno agli isolotti.
  • Membrana semipermeabile[[[] – Una membrana porosa con un taglio di peso molecolare che esclude grandi molecole immunitarie (ad esempio, IgG, componenti complementari) ma consente il passaggio di glucosio e insulina (tipicamente cutoff 50–100 kDa).
  • Fonte cellulare di Islet[[[] – isolotti mortali umani, cellule staminali-cellula-derivate cellule beta, o linee cellulari geneticamente ingegnerizzate.
  • Sistema di approvvigionamento di ossigeno[[[] – Molti dispositivi incorporano biomateriali generanti di ossigeno o si affidano alla neovascolarizzazione per fornire l'alta domanda metabolica di isolotti.
  • Anchoring o vascularization scaffold[[[] – Materiali che promuovono l'increspatura del vaso ospite per fornire ossigeno e rimuovere i rifiuti, spesso utilizzando fattori pro-angiogeni.

Quando i livelli di glucosio si alzano, le cellule di isolotto all'interno del dispositivo percepiscono il cambiamento e secrescono l'insulina nel liquido circostante, che si diffonde attraverso la membrana nel flusso sanguigno.

Tipi di dispositivi di pancreas bioartificiali

I ricercatori hanno sviluppato diverse architetture di dispositivi, ognuna con distinti compromessi tra protezione immunitaria, fornitura di ossigeno e scalabilità.

Dispositivi di Macroencapsulation

Questi modelli assomigliano a piccoli sacchetti, fogli, o dischi contenenti migliaia di isolotti all'interno di una singola camera. Esempi includono il [ ViaCyte PEC-Encap (ora Encaptra) dispositivo, che ospita cellule staminali-derive pancreatic progenitor celle in una membrana semipermeabile.

Dispositivi di microincapsulamento

La microincapsulamento comporta l'inserimento di isolotti individuali o di piccoli cluster in perle di idrogelo sferico, tipicamente 200-600 μm di diametro. La piccola dimensione del tallone riduce le distanze di diffusione e migliora il rapporto di superficie-area-volume, migliorando l'ossigeno e lo scambio di sostanze nutritive.

Islet incapsulato su un ponte

Un altro approccio utilizza impalcature porose seminate con isolotti, spesso combinate con una risposta vascolarizzazione dell'ospite. Il ponteggio fornisce supporto strutturale, promuove il clustering cellulare e può essere progettato per rilasciare i fattori angiogeni. Questi dispositivi sono impiantati in siti clinici ben vascolarizzati (ad esempio, omentum) e si affidano ai vasi ospitanti per infiltrarsi nell'impalcatura.

Fonti delle celle di Islet

Una delle barriere più significative all'uso diffuso dei dispositivi di pancreas bioartificiali sta ottenendo una fornitura sufficiente e affidabile delle cellule di isolotto funzionali.

Islets pancreatici del donatore

Gli isolotti di donatore caaverico sono lo standard d'oro per il trapianto di isolotto clinico (ad esempio il protocollo Edmonton), che possiedono una piena reattività di glucosio e co-regolazione ormonale. Tuttavia, la scarsità dei donatori di organi, la necessità di più donatori per destinatari, e la perdita di funzione dovuta al rifiuto del sistema immunitario o al limite di esaurimento di questa fonte.

Celle di ingresso autoadesivi

Le cellule staminali Pluripotent (cellule staminali embrionali o cellule staminali pluripotenti indotte) possono essere indirizzate attraverso un protocollo di differenziazione per produrre cellule simili a beta pancreatiche. Le aziende come ViaCyte] e Vertex Pharmaceuticals hanno praticamente pionato questo approccio.

Islets Xenogeneic

Gli isolotti di porcine sono un'alternativa ben studiata a causa della loro somiglianza con gli isolotti umani e della disponibilità di suini geneticamente modificati che esprimono le proteine di regolazione del complemento umano. La barriera immunitaria è più grave, rendendo essenziale l'incapsulamento robusto.

Linee cellulari generate geneticamente

Le linee cellulari delle beta umane (ad esempio, EndoC-BH1, dell'Istituto De Duve) o le linee del mouse modificate possono essere utilizzate, ma il loro potenziale tumorigenico e la reattività del glucosio incompleto limitano la traduzione clinica. I ricercatori hanno progettato le cellule per esprimere il glucosio-sensamento e l'insulina-secretion, così come le proteine del checkpoint immunitarie per prevenire il rifiuto.

Vantaggi dei dispositivi di pancreas bioartificiali

I potenziali benefici di un pancreas bioartificiale completamente funzionale si estendono oltre la semplice consegna dell'insulina.

  • Regolazione del glucosio physiological[[] – Il dispositivo può rapidamente regolare la secrezione dell'insulina in base alle fluttuazioni del glucosio in tempo reale, riducendo sia l'iperglicemia che l'ipoglicemia rispetto alle pompe dell'insulina.
  • Eliminazione dell'immunosoppressione[[] – Per i pazienti che ricevono isolotti donatori o cellule staminali, la barriera di incapsulamento ostacola la necessità di immunosoppressione sistemica, che comporta rischi di infezione, malignanza e nefrotossicità.
  • Ridotta complicazioni a lungo termine[[] – La stabile normoglycemia frena la progressione delle complicazioni microvascolari come la retinopatia, la neuropatia e la nefropatia.
  • Qualità migliorata della vita[[[]] – I pazienti possono essere liberati dal peso del monitoraggio frequente del glucosio e delle iniezioni di insulina, riducendo l'ansia e permettendo attività quotidiane più normali.
  • Potential per una cura funzionale[[] – Se il dispositivo può mantenere l'isolotto di vita per anni ed evitare l'incapsulamento fibrotico, potrebbe fornire un intervento di una volta che ripristina il metabolismo quasi normale.

Sfide e Limitazioni attuali

Nonostante decenni di ricerca, i dispositivi di pancreas bioartificiali non hanno ancora raggiunto un'adozione clinica diffusa.

Fornitura di ossigeno e visibilità dell'isolante

Le cellule dell'intestino hanno un alto tasso di consumo di ossigeno. In un ambiente incapsulato, la tensione dell'ossigeno scende rapidamente sotto la soglia richiesta per la sopravvivenza (pressione parziale <5–10 mmHg), portando alla necrosi centrale e alla perdita di funzione. Le strategie per affrontare questo includono l'uso di biomateriali generanti dall'ossigeno (ad esempio, perossidi, silicone permeabile dall'ossigeno), che incorporano vettori di ossigeno (ad esempio, per l'impianto, perfluorocarburiferico.

Risposta immunitaria e Fibrosi

Anche con membrane immunitarie-isolazione, le cellule infiammatorie ospitanti possono attaccare la superficie del dispositivo, con conseguente una densa capsula fibrotica che blocca la diffusione. Questa risposta corporea straniera è mediata da macrofagi e cellule giganti, che secrescono citochine che possono anche danneggiare isolotti.

Retrievabilità e longevità

I dispositivi di Macroencapsulation sono progettati per il recupero se si presentano complicazioni o se le cellule cessano di funzionare, ma i microcapsul sono spesso irrecuperabili. I dati sulle prestazioni a lungo termine sono scarse; la maggior parte degli studi sugli animali durano meno di un anno, e gli studi clinici hanno mostrato una progressiva perdita di funzione durante mesi.

Scalabilità della sorgente cellulare

Anche con isolotti derivati da cellule staminali, la produzione in scala con qualità costante è impegnativa. Efficienza differenziata, purezza delle cellule beta e variabilità da lotto a batch devono essere affrontati. Il costo di produrre e incapsulare miliardi di cellule per milioni di pazienti potrebbe essere sostanziale.

Integrazione chirurgica e clinica

L'impiantazione di un pancreas bioartificiale, in particolare di un grande macrodevice, richiede una procedura chirurgica che comporta rischi di infezione, sanguinamento e migrazione dei dispositivi. Determinare il sito ottimale dell'impianto – sottocutaneo, intraperitoneale o o omentale – è ancora dibattuto. Il dispositivo deve essere compatibile anche con gli strumenti di monitoraggio del diabete esistenti e i pazienti devono essere istruiti nel riconoscere l'insufficienza dei dispositivi (ad esempio, rapida insorgenza.

Avanzamenti e processi clinici recenti

Molte organizzazioni hanno avanzato la tecnologia del pancreas bioartificiale in test clinici, fornendo la prova del concetto negli esseri umani.

ViaCyte PEC-Encap (Encaptra) Dispositivo

ViaCyte, ora filiale di Vertex Pharmaceuticals, ha sviluppato il dispositivo PEC-Encap contenente cellule staminali-distribuite cellule di progenitore pancreatico. Nelle prove di prima fase, queste cellule sono maturate in cellule di produzione di insulina dopo l'impianto, e i pazienti hanno mostrato livelli di C-peptide rilevabili. Tuttavia, la risposta immunitaria ha portato a sovracrescita fibrotica e perdita di funzione.

Vertex VX-880

L’approccio VX-880 di Vertex utilizza cellule isolotte derivate da cellule staminali completamente differenziate infuso nella vena del portale sotto immunosoppressione (non un dispositivo bioartificiale). Tuttavia, Vertex sta anche esplorando versioni incapsulate (ad esempio, VX-264) per evitare immunosoppressione.

Beta O2 Tecnologie

La società israeliana Beta O2 ha sviluppato un dispositivo di macroincapsulazione che incorpora una porta di ricarica dell'ossigeno. Il dispositivo utilizza una membrana gas-permeabile e una cartuccia di ossigeno esterna che il paziente ricarica ogni giorno. In una fase I/II, il dispositivo ha mantenuto la funzione di isolotto nei pazienti di diabete di tipo 1 per un massimo di due anni, con ridotte esigenze di insulina.

Tecnologie cellulari viventi (Diatranz Otsuka)

Questa società neozelandese ha condotto studi utilizzando isolotti di porcina neonatali microincapsulati in alginato. Le capsule sono state impiantate intraperitonealmente in pazienti diabetici. Alcuni pazienti hanno mostrato miglioramenti nel controllo glicemico e ridotto eventi ipoglicemici, ma l'effetto è andato nel tempo a causa delle risposte degli ospiti.

Le direzioni e le innovazioni future

La prossima generazione di dispositivi di pancreas bioartificiali integrerà più tecnologie emergenti per superare le attuali limitazioni.

Biomateriali e rivestimenti avanzati

I rivestimenti conformali ultra-sottili che coprono completamente ogni cluster di isolotto sono in fase di sviluppo utilizzando microfluidici o elettrospruzzi. Questi rivestimenti riducono la dimensione della capsula a meno di 200 μm, migliorando la diffusione e riducendo la fibrosi.

Generazione di ossigeno integrata

Per garantire un adeguato ossigeno senza rifornimento esterno, i ricercatori stanno sviluppando sistemi di generazione di ossigeno interni basati sulla scissione di acqua elettrochimica o utilizzando microalghe che producono ossigeno. Un altro approccio è quello di collegare covalentemente i vettori di ossigeno come l'emoglobina o la mioglobina alla matrice di capsule.

Evasione immunitaria tramite Cell Engineering

Le isolotti derivate da cellule staminali possono essere modificate con CRISPR/Cas9 per eliminare le molecole del complesso di istocompatibilità (MHC) e per esprimere le proteine del checkpoint immunitarie come PD-L1 o CTLA4-Ig. Queste cellule “donatori universali” sarebbero invisibili al sistema immunitario del destinatario anche senza incapsulamento.

Sistemi di risposta intelligenti

I dispositivi futuri potrebbero incorporare biosensori che monitorano il glucosio, l'insulina e i marcatori di infiammazione. Un sistema di controllo a ciclo chiuso potrebbe rilasciare l'insulina da un serbatoio o stimolare l'attività isolotta attraverso luce o ecografia.

Produzione decentralizzata e produzione di punti di vista

Per rendere accessibili a livello globale i dispositivi di pancreas bioartificiali, i processi produttivi devono essere semplificati. La cultura cellulare automatizzata, la microincapsulazione utilizzando la stampa 3D e il controllo della qualità tramite intelligenza artificiale possono consentire la produzione in centri regionali. Un singolo dispositivo potrebbe essere prodotto da una banca di cellule staminali pluripotenti indotte in meno di una settimana.

Conclusioni

I dispositivi di pancreas bioartificiali si trovano all'incrocio tra medicina rigenerativa, scienza dei materiali e bioingegneria. Combinando cellule isolotte funzionali con incapsulamento protettivo, offrono un percorso per ripristinare il controllo fisiologico del glucosio nel diabete senza l'onere del diabete di immunosoppressione. Mentre gli ostacoli significativi rimangono - in particolare l'alimentazione di ossigeno, la risposta del corpo all'estero e la scalabilità della sorgente cellulare - il ritmo di innovazione sta accelerando.

Per ulteriori informazioni sugli ultimi sviluppi, fare riferimento a ]NiH informazioni sul trapianto di isolotto[, []Diabetes Ricerca Pancreas bioartificiale dell'Istituto[], e ] una recente recensione della Biotecnologia della Natura sulle terapie cellulari incapsulate.