Сахарный диабет поражает более 500 миллионов человек во всем мире, и для многих достижение адекватного гликемического контроля остается неуловимым, несмотря на интенсивную инсулинотерапию. Трансплантация островковых клеток предлагает потенциальное лечение путем восстановления эндогенной секреции инсулина, но ее широкое распространение было ограничено необходимостью пожизненной иммуносупрессии для предотвращения отторжения и постепенной потерей функции трансплантата. Технологии инкапсуляции появились в качестве преобразующего подхода к защите трансплантированных островковых клеток от иммунной системы хозяина при сохранении их метаболической активности. Недавние достижения в области биоматериалов, аппаратной инженерии и доставки кислорода приближают инкапсулированную островковую терапию к клинической реальности, предлагая новую надежду для пациентов с диабетом 1 типа и другими инсулинозависимыми состояниями.

Справочная информация о трансплантации островковых клеток

Концепция трансплантации инсулин-продуцирующих островков Лангерганса восходит к 1970-м годам, но только в 2000 году был достигнут знаковый протокол Эдмонтона, воспроизводимый успех. Этот протокол продемонстрировал, что островки от нескольких доноров могут восстановить почти нормальную регуляцию глюкозы у пациентов с диабетом 1 типа, хотя и с агрессивной иммуносупрессией. С тех пор более 1500 пациентов получили островковые трансплантации по всему миру, причем многие из них добились независимости от инсулина в течение как минимум одного года.

Однако два фундаментальных препятствия не позволили трансплантации островков стать стандартной терапией. Во-первых, предложение донорских поджелудочных желез сильно ограничено. Во-вторых, длительная иммуносупрессия несет в себе серьезные риски, включая инфекцию, злокачественность, нефротоксичность и метаболические осложнения. Более того, даже при иммуносупрессии большинство пересаженных островков теряются в течение первых нескольких недель из-за сочетания мгновенной опосредованной кровью воспалительной реакции (IBMIR), аллоредеции и рецидива аутоиммунитета. Те островки, которые выживают, часто испытывают прогрессирующую потерю функции с течением времени, заставляя многих реципиентов возобновлять экзогенный инсулин в течение пяти лет.

Технология инкапсуляции направлена на устранение иммунного барьера путем создания физического разделения между островками-донорами и иммунной системой хозяина, устраняя необходимость системной иммуносупрессии и тем самым расширяя право пациентов на это потенциально лечебное вмешательство.

Что такое технология инкапсуляции?

Инкапсуляция заключает островковые клетки в полупроницаемую мембрану, которая позволяет двунаправленную диффузию глюкозы, кислорода, питательных веществ и инсулина, блокируя при этом прохождение иммунных клеток, иммуноглобулинов и других крупных молекул, которые могут вызвать отторжение. Размер пор мембраны обычно находится в диапазоне 0,05-0,5 мкм, достаточный для исключения Т-клеток, В-клеток, макрофагов и антител, но достаточно большой, чтобы позволить небольшим молекулам и белкам свободно проходить. Мембрана также служит физическим каркасом, который может помочь поддерживать морфологию островков и предотвращать агрегацию клеток, что может поставить под угрозу обмен питательных веществ и кислорода.

Успешное устройство инкапсуляции должно удовлетворять нескольким критериям проектирования: оно должно быть биосовместимым, способствовать долгосрочной жизнеспособности клеток, противостоять фиброзу и загрязнению белка, обеспечивать легкое извлечение или замену и быть производным в масштабе. Выполнение всех этих требований одновременно оказалось сложным, но устойчивый прогресс в материаловедении и проектировании устройств постепенно преодолевает каждое препятствие.

Типы устройств инкапсуляции

Системы инкапсуляции в целом делятся на микро и макро инкапсуляции, каждая из которых имеет свои преимущества и ограничения.

  • Микрокапсуляция:] Отдельные островки или небольшие кластеры заключены в сферические капсулы, обычно диаметром 300—800 мкм. Эти капсулы получают с использованием альгинатных гидрогелей, полученных из бурых водорослей, часто сшитых ионами кальция или бария. Микрокапсулы имеют высокое соотношение поверхности к объему, что облегчает диффузию кислорода и питательных веществ, и их можно имплантировать внутрибрюшинно с помощью минимально инвазивной инъекции. Однако их небольшой размер делает поиск непрактичным, и они подвержены перикапсулярному фиброзу, который может ухудшать функцию с течением времени. Достижения в химии альгинатов, такие как использование ультрачистых слоев полиэтиленгликоля с высоким содержанием гулюроновой кислоты (PEG), уменьшили реакцию инородного тела и продлили выживаемость трансплантата в моделях животных.
  • Макрокапсуляция: Более крупные устройства, как правило, плоские диски, полые волокна или цилиндрические мешочки, содержат от сотен до тысяч островков внутри одного имплантата. Макродевики хирургически имплантируются в подкожные, сугубо сугубо внутрибрюшинные участки, и при необходимости могут быть предназначены для извлечения. Они обеспечивают лучшую защиту от механического напряжения и часто включают в себя такие функции, как порты кислорода или васкуляризирующие каркасы. Основным недостатком является низкое отношение площади поверхности к объему, которое может создавать диффузионный градиент, который лишает клетки питания в ядре устройства. Несколько систем макрокапсуляции вошли в клинические испытания, включая устройство Encaptra (ViaCyte) и устройство βAir (Beta-O2), которое включает в себя внутреннюю кислородную камеру, которая ежедневно заполняется через подкожный порт.

Последние достижения в области материалов

Исследования биоматериалов стали движущей силой усовершенствований технологии инкапсуляции. Алгинат золотого стандарта был усовершенствован с помощью химических модификаций, которые повышают биосовместимость и уменьшают реакцию инородного тела. Например, было показано, что модифицированные триазолом альгинаты с минимальным загрязнением эндотоксином более шести месяцев сопротивляются разрастанию капсул у нечеловеческих приматов. Другим перспективным подходом является использование цвиттерионных гидрогелей, которые являются высокогидрофильными и сопротивляются адсорбции неспецифического белка, тем самым ослабляя иммунный ответ хозяина.

Гибридные материалы, которые объединяют альгинат с другими полимерами, также набирают тягу. Альгинат-PEG ковалентно связанные микрокапсулы демонстрируют улучшенную механическую стабильность и более тонкую фибротную капсулу, окружающую имплантат. Аналогично, альгинат-хитозан композиты использовались для создания мембран с более равномерной распределением пор и повышенной долговечностью. Помимо альгинат, исследователи изучают полностью синтетические гидрогели на основе поливинилового спирта (PVA) или поли(этиленгликоль) диакрилата (PEGDA), которые могут быть точно спроектированы для контроля размера пор, скорости деградации и свойств адгезии клеток.

Нанотехнологии открывают и новые пути. Мезопористые наночастицы кремнезема могут быть встроены в стенки капсул для обеспечения устойчивого высвобождения иммуносупрессивных или противовоспалительных препаратов, таких как такролимус или дексаметазон, непосредственно в микроокружение трансплантата. Эта локализованная иммуномодуляция может уменьшить системные побочные эффекты иммуносупрессии, одновременно предотвращая отторжение. Другим инновационным материалом является использование кислородсодержащих биоматериалов, таких как пероксид кальция или перфторуглеродные эмульсии, встраиваемые в капсулу для облегчения гипоксии, которая является одной из основных причин гибели островков после трансплантации.

Инновации в дизайне устройств

Помимо материалов, физическая архитектура инкапсулирующих устройств развивалась для устранения критических ограничений в массовом транспорте, оксигенации и интеграции с сосудистой системой хозяина.

Кислородные системы снабжения

Клетки островков очень метаболически активны и потребляют кислород со скоростью в десять раз выше, чем большинство других типов клеток. В сосудистой среде инкапсулирующего устройства диффузия кислорода сильно ограничена, что приводит к центральному некрозу и потере секреции инсулина. Несколько конструкций устройств теперь включают выделенные системы доставки кислорода. Устройство βAir из Бета-O2 включает газовую камеру, которая ежедневно заполняется через подкожный порт, позволяя кислороду диффундировать через газопроницаемую мембрану к островкам. Клинические испытания показали, что эта система поддерживает функциональные островковые трансплантаты более одного года у некоторых пациентов. Другие подходы включают слои, генерирующие кислород, такие как те, которые содержат глюкозооксидазу или водорослевые хлоропласты, которые производят кислород in situ. Пока еще на доклинической стадии, эти технологии могут в конечном итоге устранить необходимость внешнего наполнения.

Стратегии васкулирования

Устройства инкапсуляции традиционно имплантируются в участки с плохим кровоснабжением, такие как подкожное пространство. Более новые конструкции включают пористые каркасы или микроканалы, которые стимулируют кровеносные сосуды хозяина расти в или вокруг устройства, приближая кислород и питательные вещества к инкапсулированным клеткам. Например, Серновский клеточный мешок представляет собой устройство для макроинкапсуляции, изготовленное из биосовместимого полимера, который имплантируется подкожно и позволяет стать васкуляризованным в течение нескольких недель до того, как островки будут загружены в его камеры. Клинические исследования показали, что этот подход до васкуляризации улучшает выживаемость и функцию островков. Аналогичным образом, включение ангиогенных факторов, таких как сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) в покрытие устройства может ускорить неоваскуляризацию.

Противовоспалительные и антифиброзные покрытия

Даже с биосовместимыми материалами реакция инородного тела может привести к образованию плотной фиброзной капсулы вокруг имплантата, блокирующей диффузию глюкозы и инсулина. Исследователи применяют поверхностные покрытия, активно подавляющие этот ответ. Например, осаждение тонкого слоя дексаметазона-высвобождающего полимера на поверхности устройства локально уменьшает воспаление без системных эффектов. Другая стратегия предполагает привязку гликопротеина CD47 к поверхности, который посылает сигнал «не ешь меня» макрофагам и предотвращает фагоцитарную атаку. В моделях нечеловеческих приматов альгинатные капсулы с CD47 оставались функциональными в течение более шести месяцев с минимальным фиброзом.

Регулируемая проницаемость и умные устройства

Следующее поколение устройств инкапсуляции может включать в себя «умные» функции, которые позволяют после имплантации настраивать проницаемость мембран или высвобождать кинетику. Например, термочувствительные полимеры, которые изменяют размер пор в ответ на локальное повышение температуры, могут позволить контролируемое высвобождение инсулина в ответ на гипергликемию. Аналогично, гидрогели, реагирующие на магнитное поле, могут использоваться для высвобождения инкапсулированных клеток по требованию, что позволяет извлекать или заменять трансплантаты без хирургического вмешательства. Хотя эти концепции все еще находятся в ранней стадии разработки, они представляют собой потенциальный скачок в сложности инкапсуляции островков.

Доклинический и клинический прогресс

Дорога от скамейки до постели видела несколько заметных вех. Устройство Encaptra от ViaCyte, использующее планарный макропакуляционный формат с внешней васкуляризирующей мембраной, первым вошло в клинические испытания трансплантации островков человека. Первоначальные результаты продемонстрировали безопасность и доказательство концепции, с обнаруживаемыми уровнями С-пептида у некоторых реципиентов, но контроль глюкозы не был достигнут из-за недостаточного снабжения кислородом и ограниченной выживаемости островков. Это привело к разработке продукта PEC-Encap, в котором вместо донорских островков используются клетки панкреатической эндодермы стволовых клеток. В испытании 2021 года некоторые пациенты, имплантированные PEC-Encap, показали стимулированную едой секрецию С-пептида, подтверждающую, что потомство инкапсулированных стволовых клеток может созревать и функционировать in vivo.

Устройство бета-O2 βAir показало более надежные результаты, при этом несколько пациентов достигли независимости инсулина или значительного снижения требований к инсулину, хотя и требовали ежедневного пополнения кислородом. Устройство было оценено в испытаниях фазы I/II в Европе, и разрабатывается последующее устройство с улучшенной кислородной емкостью. Между тем, Серновский клеточный мешок тестируется в сочетании с донорскими островками и, совсем недавно, с островками, полученными из стволовых клеток, от Vertex Pharmaceuticals. В обновлении 2023 года Сернова сообщила, что первый пациент в испытании фазы I/II достиг независимости инсулина через 90 дней после имплантации, используя комбинацию клеточного мешка и донорских островков.

Для микрокапсуляции Диатранц Отсука (ныне Living Cell Technologies) провел клинические испытания с альгинат-инкапсулированными островками свиней (DIABECELL) в качестве подхода к ксенотрансплантации. В то время как иммунологическая безопасность была продемонстрирована, эффективность в снижении требований к инсулину была скромной. Улучшенные альгинатные составы, такие как препараты с модификациями триазола, были протестированы у нечеловеческих приматов с обнадеживающими результатами - некоторые животные оставались нормогликемическими в течение более 200 дней без иммуносупрессии. Клиническое исследование с использованием этих продвинутых альгинатных микрокапсул ожидается в течение следующих нескольких лет.

Будущие направления и вызовы

Несмотря на значительный прогресс, необходимо преодолеть несколько проблем, прежде чем инкапсулированная островковая терапия может стать обычным лечением. Фиброз остается самой постоянной проблемой: даже при улучшенных материалах некоторая степень избыточного роста капсул происходит в подмножестве имплантатов, что приводит к прогрессирующей недостаточности трансплантата. Стратегии для решения этой проблемы включают совместную доставку антифибротических агентов, выбор мест имплантации с более низким воспалительным тоном (например, оментум) и использование иммуноуклоняющихся клеток, полученных из генетически модифицированных стволовых клеток, которые не имеют основных молекул комплекса гистосовместимости (МНС) класса I.

Кислородное обеспечение является еще одним критическим узким местом. В то время как такие устройства, как βAir, демонстрируют, что внешняя доставка кислорода работает, необходимость ежедневных пополнений является практическим ограничением. Исследователи преследуют автономную генерацию кислорода, например, через встроенные фотосинтетические водоросли или электрохимические слои, расщепляющие воду, но эти подходы являются годами от клинической готовности. Промежуточное решение может включать использование кислородсодержащих перфторуглеродных эмульсий, которые могут быть вставлены в полость устройства во время имплантации.

Масштабируемость и производственная согласованность также необходимы для коммерческого успеха. Производство миллионов микрокапсул или сотен макроустройств с однородными свойствами и стерильностью является нетривиальной инженерной задачей. Достижения в микрофлюидиках и системах инкапсуляции на основе потока улучшают пропускную способность и снижают изменчивость пакетов. Кроме того, поиск островков - будь то от поджелудочной железы донора или дифференциации стволовых клеток - должен быть согласован с производством устройств для обеспечения загрузки клеток непосредственно перед трансплантацией.

Заглядывая дальше, комбинация инкапсуляции с иммуномодулирующими стратегиями, такими как ко-инкапсуляция с регуляторными Т-клетками или мезенхимальными стромальными клетками, может создать толерогенную микросреду, которая дополнительно защищает трансплантат. Кроме того, сближение инкапсуляции с редактированием генов (например, генерирование «универсальных донорских» островков, которые являются иммуноуклоняющими) может в конечном итоге устранить необходимость в любом физическом барьере, но до тех пор, пока эта технология не созреет, инкапсуляция остается наиболее практичным подходом для защиты трансплантированных клеток без иммуносупрессии.

Конечная цель - полностью функциональная, извлекаемая и длительная клеточная терапия, которая нормализует уровень глюкозы без бремени ежедневных инъекций инсулина или иммуносупрессии. Достижения, описанные здесь, приближают нас к этой цели, и несколько продуктов находятся на пороге ключевых клинических испытаний. При постоянных инвестициях и междисциплинарном сотрудничестве инкапсулированная трансплантация островков может изменить ландшафт лечения диабета в течение следующего десятилетия.