Table of Contents

Обещание биоискусственных устройств поджелудочной железы

Сахарный диабет, особенно диабет 1 типа, поражает миллионы людей во всем мире и требует пожизненного управления с помощью инсулинотерапии. В то время как внешние инсулиновые помпы и непрерывные глюкометры улучшают гликемический контроль, они не воспроизводят точную регуляцию здоровой поджелудочной железы в режиме реального времени. Биоискусственные устройства поджелудочной железы представляют собой преобразующий подход, который сочетает живые островковые клетки с инженерными материалами для восстановления эндогенной секреции инсулина. Защищая донорские или стволовые клетки островковые клетки от иммунной системы, позволяя быстрое зондирование глюкозы и высвобождение инсулина, эти устройства стремятся достичь почти физиологического контроля глюкозы в крови без необходимости иммуносупрессии. В этой статье исследуются основные технологии, источники островковых клеток, текущие проблемы и потенциал биоискусственных устройств поджелудочной железы для изменения ландшафта лечения диабета.

Как работают биоискусственные устройства поджелудочной железы

Биоискусственная поджелудочная железа представляет собой гибридную систему, которая интегрирует жизнеспособные островковые клетки в полупроницаемую мембрану или каркас. Устройство имплантируется подкожно, внутрибрюшинно или в сосновом месте, где оно взаимодействует с сосудистой системой организма. Ключевой принцип проектирования заключается в создании барьера, который предотвращает попадание иммунных клеток и антител к островкам, позволяя при этом свободное распространение глюкозы, инсулина, кислорода и питательных веществ. Эта иммунная изоляция позволяет использовать аллогенные или ксеногенные островковые клетки без необходимости пожизненных иммуносупрессивных препаратов, которые несут значительные побочные эффекты.

Ключевые компоненты

К критическим элементам биоискусственной поджелудочной железы относятся:

  • Инкапсуляционный материал — Обычно гидрогель, такой как альгинат, агарозный или полиэтиленгликоль (ПЭГ), который образует биосовместимую капсулу вокруг островков. Расширенные покрытия минимизируют фиброзный разрастание.
  • Полупроницаемая мембрана — пористая мембрана с молекулярным отсеком, который исключает большие иммунные молекулы (например, IgG, компоненты комплемента), но позволяет прохождение глюкозы и инсулина (обычно отсек 50-100 кДа).
  • Источник островковых клеток — Человеческие трупные островки, бета-клетки, полученные из стволовых клеток, или генетически модифицированные клеточные линии.
  • Система подачи кислорода — Многие устройства включают в себя биоматериалы, генерирующие кислород, или полагаются на неоваскуляризацию для обеспечения высокой метаболической потребности островков.
  • Анхорирование или васкуляризация каркаса — Материалы, которые способствуют врастанию сосудов-хозяев для доставки кислорода и удаления отходов, часто с использованием проангиогенных факторов.

Когда уровень глюкозы повышается, островковые клетки внутри устройства ощущают изменение и выделяют инсулин в окружающую жидкость, которая диффундирует через мембрану в кровоток. И наоборот, когда глюкоза падает, секреция инсулина останавливается. Это контролируемое обратной связью высвобождение является отличительным преимуществом перед обычной доставкой инсулина.

Виды биоискусственных устройств поджелудочной железы

Исследователи разработали несколько архитектур устройств, каждая из которых имеет различные компромиссы между иммунной защитой, поставкой кислорода и масштабируемостью.

Устройства для макроинкапсуляции

Они напоминают небольшие мешочки, листы или диски, содержащие тысячи островков в одной камере. Примеры включают устройство ViaCyte PEC-Encap (теперь Encaptra)], в котором находятся клетки-предшественники поджелудочной железы, полученные из стволовых клеток, в полупроницаемой мембране. Устройства для макроинкапсуляции легче имплантировать и извлекать, обеспечивают надежную механическую защиту и позволяют потенциальную перезагрузку. Однако большое расстояние диффузии может препятствовать доставке кислорода и питательных веществ, что приводит к центральному некрозу. Для решения этой проблемы более новые конструкции включают интегрированные генераторы кислорода или стратегии предваскуляризации.

Устройства микрокапсуляции

Микрокапсуляция включает в себя замкнутые отдельные островки или небольшие кластеры в шаровидных гидрогелевых шариках, обычно диаметром 200-600 мкм. Малый размер шарика минимизирует диффузионные расстояния и улучшает соотношение площади поверхности к объему, улучшая обмен кислорода и питательных веществ. Микрокапсулы вводятся внутрибрюшинно, где они свободно плавают. Хотя этот подход обеспечивает отличную иммунную защиту и показал эффективность на животных моделях, отсутствие возможности извлечения и потенциал для агрегации капсул или фиброзного разрастания остаются проблемами. Последние достижения используют конформное покрытие (ультратонкие слои) для дальнейшего уменьшения размера капсул и улучшения реакции глюкозы.

Инкапсулированный островок на эшафоте

Другой подход использует пористые каркасы, засеянные островками, часто в сочетании с васкуляризирующим ответом хозяина. Эшафот обеспечивает структурную поддержку, способствует кластеризации клеток и может быть спроектирован для высвобождения ангиогенных факторов. Эти устройства имплантируются в хорошо васкуляризированные участки (например, оментум) и полагаются на сосуды хозяина для проникновения в каркас. Концепция BioHub , разработанная Исследовательским институтом диабета, помещает островки в биоразлагаемый каркас, который затем имплантируется в оментум. Этот метод показал перспективу в клинических испытаниях, с некоторыми пациентами, достигающими независимости от инсулина.

Источники островковых клеток

Одним из наиболее существенных барьеров для широкого применения биоискусственных устройств поджелудочной железы является получение достаточного и надежного снабжения функциональными островковыми клетками.В настоящее время активно исследуется несколько источников.

Донор островков поджелудочной железы

Кадаверические донорские островки являются золотым стандартом для клинической трансплантации островков (например, протокол Эдмонтона). Они обладают полной чувствительностью к глюкозе и гормональной сорегуляцией. Однако дефицит доноров органов, потребность в нескольких донорах на одного реципиента и возможная потеря функции из-за иммунного отторжения или истощения ограничивают этот источник. Биоискусственные устройства уменьшают, но не устраняют необходимость в адекватной островковой массе; как правило, требуется 5000-10 000 островковых эквивалентов на килограмм массы тела.

Стволовые клетки, полученные из островковых клеток

Плюрипотентные стволовые клетки (эмбриональные стволовые клетки или индуцированные плюрипотентные стволовые клетки) могут быть направлены через протокол дифференцировки для производства бета-подобных клеток поджелудочной железы. Такие компании, как ViaCyte и Vertex Pharmaceuticals , впервые применили этот подход. Островки, полученные из стволовых клеток, предлагают практически неограниченное количество и могут быть генетически модифицированы для уклонения от обнаружения иммунной системы. Однако поддержание долгосрочной секреции инсулина, отвечающей за глюкозу, и предотвращение образования тератомы являются постоянными проблемами. Недавний прогресс в протоколах дифференцировки дал клетки, которые очень похожи на нативные бета-клетки человека, с секрецией инсулина, стимулируемой глюкозой, in vivo.

Ксеногенные островки

Островки свиней являются хорошо изученной альтернативой из-за их сходства с островками человека и наличия генетически модифицированных свиней, которые экспрессируют регуляторные белки человеческого комплемента. Иммунный барьер более строгий, что делает надежную инкапсуляцию необходимой. Исследователи из Diatranz Otsuka (теперь Living Cell Technologies) провели клинические испытания с островками свиней в альгинатных капсулах. В то время как некоторые пациенты показали снижение HbA1c, долгосрочная эффективность остается ограниченной.

Генетически модифицированные клеточные линии

Человеческие бета-линии клеток (например, EndoC-BH1, из Института Де Дюва) или модифицированные линии мыши могут быть использованы, но их опухолегенный потенциал и неполная чувствительность к глюкозе ограничивают клинический перевод. Исследователи разработали клетки для экспрессии механизмов, чувствительных к глюкозе и секреции инсулина, а также иммунных белков контрольной точки для предотвращения отторжения.

Преимущества биоискусственных устройств поджелудочной железы

Потенциальные преимущества полностью функциональной биоискусственной поджелудочной железы выходят за рамки простой доставки инсулина.

  • Физиологическая регуляции глюкозы — устройство может быстро регулировать секрецию инсулина на основе колебаний глюкозы в реальном времени, снижая как гипергликемию, так и гипогликемию по сравнению с инсулиновыми помпами.
  • Устранение иммуносупрессии — Для пациентов, получающих донорские или стволовые клетки островки, инкапсуляционный барьер устраняет необходимость системной иммуносупрессии, которая несет риски инфекции, злокачественности и нефротоксичности.
  • Сниженные долгосрочные осложнения — Стабильная нормогликемия останавливает прогрессирование микрососудистых осложнений, таких как ретинопатия, нейропатия и нефропатия.
  • Улучшение качества жизни — Пациенты могут быть освобождены от бремени частого мониторинга глюкозы и инъекций инсулина, уменьшая беспокойство и позволяя более нормальную повседневную деятельность.
  • Потенциал для функционального лечения — Если устройство может поддерживать жизнеспособность островков в течение многих лет и избегать фиброзной инкапсуляции, оно может обеспечить одноразовое вмешательство, которое восстанавливает почти нормальный метаболизм.

Современные вызовы и ограничения

Несмотря на десятилетия исследований, биоискусственные устройства поджелудочной железы пока не получили широкого клинического распространения.Сохраняются несколько критических препятствий.

Кислородное обеспечение и жизнеспособность островков

В инкапсулированной среде кислородное напряжение быстро падает ниже порога, необходимого для выживания (частичное давление <5-10 мм рт.ст.), что приводит к центральному некрозу и потере функции. Стратегии для решения этой проблемы включают использование кислородсодержащих биоматериалов (например, пероксидов, кислород-проницаемого силикона), включающих носители кислорода (например, перфторуглероды) или предваскуляризацию места имплантата перед вставкой устройства. Некоторые исследовательские группы разрабатывают устройства с интегрированными микроканалами, которые доставляют кислород из внешнего источника или из кровотока хозяина через врастание.

Иммунный ответ и фиброз

Даже с мембранами иммунной изоляции воспалительные клетки-хозяева могут атаковать поверхность устройства, в результате чего образуется плотная фиброзная капсула, блокирующая диффузию. Этот инородный ответ организма опосредуется макрофагами и гигантскими клетками, которые секретируют цитокины, которые также могут повреждать островки. Покрытие капсул молекулами, такими как диоксид триазола-тиоморфолина или с использованием цвиттерионных гидрогелей, показало перспективность в снижении фиброза. Кроме того, локальное высвобождение иммуномодулирующих агентов (например, ингибиторов TGF-β, IL-10) может создать толерогенную среду.

Возвратность и долговечность

Устройства для макроинкапсуляции предназначены для извлечения, если возникают осложнения или если клетки перестают функционировать, но микрокапсулы часто невозможны. Данные о долгосрочной производительности скудны; большинство исследований на животных длятся менее одного года, а клинические испытания показали постепенную потерю функции в течение месяцев. Идеальное устройство должно поддерживать выживаемость островков в течение как минимум пяти-десяти лет, чтобы оправдать процедуру имплантации.

Масштабируемость клеточного источника

Даже с островками, полученными из стволовых клеток, сложно производить в масштабе с постоянным качеством. Необходимо решить проблему эффективности дифференциации, чистоты бета-клеток и изменчивости пакет-серия. Стоимость производства и инкапсуляции миллиардов клеток для миллионов пациентов может быть существенной. Достижения в области культуры биореакторов и автоматизированной инкапсуляции идут полным ходом.

Хирургическая и клиническая интеграция

Имплантация биоискусственной поджелудочной железы, особенно большого макроустройства, требует хирургической процедуры, которая несет риски инфекции, кровотечения и миграции устройства. Определение оптимального места имплантата - подкожного, внутрибрюшинного или сументального - все еще обсуждается. Устройство также должно быть совместимо с существующими инструментами мониторинга диабета, и пациенты должны быть обучены распознаванию отказа устройства (например, быстрое начало гипергликемии).

Последние достижения и клинические испытания

Несколько организаций разработали технологию биоискусственной поджелудочной железы для клинических испытаний, обеспечивая доказательство концепции у людей.

Устройство PEC-Encap (Encaptra) от ViaCyte

ViaCyte, ныне дочерняя компания Vertex Pharmaceuticals, разработала устройство PEC-Encap, содержащее клетки-предшественники поджелудочной железы, полученные из стволовых клеток. В ранних фазных испытаниях эти клетки созревали в инсулин-продуцирующие клетки после имплантации, и у пациентов были обнаружены уровни С-пептида. Однако иммунный ответ привел к фибротному разрастанию и потере функции. Обновленная версия использует более биосовместимую мембрану и тестируется в испытании фазы I/II (NCT04678557).

Вертекс VX-880

Подход Vertex VX-880 использует полностью дифференцированные островковые клетки, полученные из стволовых клеток, вводимые в портальную вену под иммуносупрессией (не биоискусственное устройство). Однако Vertex также изучает инкапсулированные версии (например, VX-264), чтобы избежать иммуносупрессии. Ранние результаты VX-880 показали восстановленную независимость инсулина у некоторых пациентов, но иммуносупрессивная терапия была необходима.

Бета-технологии O2

Израильская компания Beta O2 разработала устройство для макрокапсуляции, которое включает в себя порт подзарядки кислорода. Устройство использует газопроницаемую мембрану и внешний кислородный картридж, который пациент ежедневно пополняет. В ходе испытания I/II фазы устройство поддерживало островковую функцию у пациентов с диабетом 1 типа в течение двух лет с уменьшенными потребностями в инсулине. Устройство требует ежедневной перезаправки кислородом, что является проблемой соответствия.

Технологии живых клеток (Диатранц Отсука)

Эта новозеландская компания провела испытания с использованием микроинкапсулированных в альгинат неонатальных островков свиней. Капсулы были имплантированы внутрибрюшинно у пациентов с диабетом. У некоторых пациентов наблюдались улучшения в контроле гликемии и снижение гипогликемических событий, но эффект со временем ослабел из-за ответов хозяина.

Будущие направления и инновации

Следующее поколение биоискусственных устройств поджелудочной железы будет интегрировать несколько новых технологий для преодоления существующих ограничений.

Передовые биоматериалы и покрытия

Ультратонкие конформные покрытия, полностью покрывающие каждый островковый кластер, разрабатываются с использованием микрофлюидики или электроспрея. Эти покрытия уменьшают размер капсулы до менее чем 200 мкм, улучшая диффузию и уменьшая фиброз. Звиттерионные гидрогели, которые сопротивляются адсорбции белка и адгезии клеток, продемонстрировали замечательный успех у нечеловеческих приматов. Исследователи также изучают «живые покрытия», которые несут регуляторные Т-клетки или мезенхимальные стромальные клетки для создания иммуносупрессивной микросреды.

Интегрированное поколение кислорода

Для обеспечения адекватного кислорода без внешнего наполнения исследователи разрабатывают внутренние кислородгенерирующие системы на основе электрохимического расщепления воды или с использованием кислород-продуцирующих микроводорослей. Другой подход заключается в ковалентном присоединении носителей кислорода, таких как гемоглобин или миоглобин, к капсульной матрице. Эти системы могут обеспечивать устойчивый кислород в течение нескольких месяцев.

Иммунное удаление с помощью клеточной инженерии

Островки, полученные из стволовых клеток, могут быть отредактированы с помощью CRISPR/Cas9 для устранения основных молекул комплекса гистосовместимости (MHC) и экспрессии белков иммунных контрольных точек, таких как PD-L1 или CTLA4-Ig. Эти «универсальные донорские» клетки будут невидимы для иммунной системы реципиента даже без инкапсуляции. В сочетании с очень тонким покрытием такие клетки могут преодолеть как иммунные, так и кислородные проблемы.

Умные адаптивные системы

Будущие устройства могут включать биосенсоры, которые контролируют маркеры глюкозы, инсулина и воспаления. Система контроля замкнутого цикла может выпускать инсулин из резервуара или стимулировать активность островков с помощью света или ультразвука. Появляется концепция «биоэлектронной поджелудочной железы», которая соединяет бета-клетки с микроэлектроникой.

Децентрализованное производство и производство в точках обслуживания

Для того чтобы сделать биоискусственные устройства поджелудочной железы доступными во всем мире, необходимо упростить производственные процессы. Автоматизированная клеточная культура, микрокапсуляция с использованием 3D-печати и контроль качества с помощью искусственного интеллекта могут позволить производство в региональных центрах. Одно устройство может быть произведено из банка индуцированных плюрипотентных стволовых клеток менее чем за неделю.

Заключение

Биоискусственные устройства поджелудочной железы стоят на пересечении регенеративной медицины, материаловедения и биоинженерии. Объединив функциональные островковые клетки с защитной инкапсуляцией, они предлагают путь к восстановлению физиологического контроля глюкозы при диабете без бремени иммуносупрессии. В то время как остаются значительные препятствия - особенно поставки кислорода, реакция инородного тела и масштабируемость клеточных источников - темпы инноваций ускоряются. Недавние клинические испытания продемонстрировали концепцию, и проекты следующего поколения, которые интегрируют иммуноуклоняющие стволовые клетки, передовые покрытия и внутреннее производство кислорода, входят в доклиническую оценку. Если эти проблемы будут преодолены, биоискусственные устройства поджелудочной железы могут трансформировать жизнь миллионов людей с диабетом, переходя от управления к функциональному лечению.

Для дальнейшего чтения о последних разработках обратитесь к NIH информации о трансплантации островков , Исследования биоискусственной поджелудочной железы Научно-исследовательского института диабета и недавний обзор биотехнологии природы по инкапсулированной клеточной терапии .