Table of Contents

Введение: Обещание и подводные камни трансплантации островковых клеток

Для лиц с диабетом 1 типа потеря инсулин-продуцирующих бета-клеток поджелудочной железы приводит к пожизненной зависимости от экзогенного инсулина и постоянному риску гипогликемии и долгосрочных осложнений. Трансплантация островковых клеток предлагает преобразующую альтернативу: вливая донорские островки в печень через портальную вену, пациенты могут восстановить эндогенную секрецию инсулина. Однако, несмотря на значительные технические достижения за последние два десятилетия, процедура остается далекой от стандартного лечения. Пересаженные островки сталкиваются с враждебной микросредой, характеризующейся иммунным отторжением, недостаточным кислородом и питательными веществами, и механическим стрессом от кровообращения печеночного портала. В результате многие островки погибают в течение нескольких дней до нескольких недель, и только меньшинство реципиентов достигают долгосрочной инсулиновой независимости.

Чтобы преодолеть эти препятствия, исследователи обратились к биоинженерным решениям, которые воссоздают поддерживающую нишу для трансплантированных клеток. Биосовместимые каркасы — трехмерные структуры, имитирующие естественный внеклеточный матрикс (ECM) — появились в качестве мощной платформы для повышения выживаемости, функции и интеграции островков. Обеспечивая физическую защиту, контролируемое высвобождение иммуномодулирующих факторов и шаблон для васкуляризации, каркасы готовы значительно улучшить клинические результаты трансплантации островков. В этой статье исследуются наука, стоящая за биосовместимыми каркасами, разрабатываемыми материалами и конструкциями, текущими клиническими и доклиническими доказательствами и ключевыми проблемами, которые остаются на пути к широкому распространению.

Что такое биосовместимые леса? Структурно-функциональный фундамент

Биосовместимые каркасы — это инженерные конструкции, предназначенные для размещения и поддержки живых клеток в организме.В контексте трансплантации островков каркас служит искусственным внеклеточным матриксом, выполняющим несколько критических ролей:

  • Механическая поддержка: Защищает островки от сдвига и сжатия.
  • Анкоридж и пространственная организация: Поддерживает кластеризацию островков и контакты клеток, необходимые для нормальной секреции инсулина.
  • Массовый транспорт: Способствует диффузии кислорода, глюкозы и отходов.
  • Иммуноизоляция или иммуномодулирование: Щиты островков из иммунных клеток или доставляют противовоспалительные сигналы.
  • Шаблон васкулирования: Руководит врастанием кровеносных сосудов хозяина для снабжения трансплантата.

Термин «биосовместимый» является ключевым: материал каркаса не должен вызывать хроническую воспалительную или фиброзную реакцию, и он должен интегрироваться с окружающей тканью хозяина без побочных продуктов токсичной деградации. Подложки могут быть разработаны для внутрипеченочной имплантации (заменяющей традиционную инфузию портальной вены) или внепеченочной (FLT: 2) внепеченочной (FLT: 3)), такой как подкожное пространство, глазной или мышечный, каждый из которых предлагает различные преимущества и проблемы.

Архитектура каркасов: размер пор, пористость и деградация кинетика

Помимо выбора материала, физическая архитектура каркаса глубоко влияет на результаты. Пористость должна уравновешивать две конкурирующие потребности: достаточное пустое пространство для загрузки клеток и сосудистого врастания, но достаточная структурная целостность для поддержания формы. Размеры пор в диапазоне от 50 до 300 мкм типичны для островковых каркасов, позволяя диффузию питательных веществ, предотвращая выход клеток. Скорость деградации является еще одним критическим параметром - в идеале, каркас разрушается в течение недель до месяцев, поскольку ткань хозяина заменяет его новым ECM, оставляя позади стабильный, функциональный островковый трансплантат. Слишком быстрая деградация может привести к преждевременной потере поддержки, в то время как медленно разрушающиеся материалы могут вызвать хронические реакции инородного тела.

Преимущества использования каркасов при трансплантации островковых клеток

Включение каркасов в протоколы трансплантации островков дает ряд преимуществ, которые устраняют фундаментальные причины отказа трансплантата.

Улучшенное выживание клеток и снижение ранней потери трансплантата

При стандартной внутрипортальной трансплантации островки подвергаются немедленному воспалительному ответу, известному как мгновенная опосредованная кровью воспалительная реакция (IBMIR) , которая разрушает до 50-70% настоянных островков. Эшафот защищает островки от прямого контакта с компонентами крови, уменьшая IBMIR. Путем встраивания островков в гель или пористую матрицу, взаимодействия клеточной матрицы запускают сигнальные пути выживания, а трехмерная среда предотвращает анойкис (смерть клеток из-за потери крепления).

Улучшенная кинетика секреции инсулина

Островки в суспензии после инфузии теряют свою родную кластеризацию и полярность, что нарушает секрецию инсулина, стимулируемую глюкозой. Скаффолды поддерживают кластеризацию островков и позволяют восстановить разрывные соединения между бета-клетками. Исследования показали, что островки, культивируемые в каркасах, демонстрируют более быстрое и надежное высвобождение инсулина по сравнению со свободными островками, потому что каркас сохраняет архитектуру, необходимую для скоординированной передачи сигналов кальция и экзоцитоза.

Локализованная иммуномодулирование и снижение нагрузки на иммуносупрессию

Одним из наиболее интересных достижений является способность создавать каркасы, которые высвобождают иммуномодулирующие агенты локально. Включая противовоспалительные цитокины (например, IL-10, TGF-β), рекрутирующие Т-клетки хемокины или иммуносупрессивные препараты низкой дозы в каркас, можно создать привилегированную иммунную микросреду вокруг трансплантата. Этот локализованный подход снижает необходимость системной иммуносупрессии, которая несет риски инфекции, нефротоксичности и злокачественности, и может в конечном итоге позволить использовать менее токсичные схемы или даже индуцировать иммунную толерантность.

Облегченная вазуляризация и поставка питательных веществ

Островки полагаются на богатую капиллярную сеть для доставки кислорода и глюкозы. В печени островки быстро становятся гипоксическими, и выживают только те, которые пересасываются в печеночных синусоидах. Вещества, разработанные с предварительно сформированными каналами или нагруженные проангиогенными факторами (VEGF, FGF-2), активно набирают эндотелий хозяина для проникновения в конструкцию. Внепеченочные места имплантации в сочетании с каркасами могут достигать плотности сосудов, сопоставимой с нативной поджелудочной железой, устраняя ограничение диффузии кислорода, которое убивает островки в течение критической первой недели после трансплантации.

Материалы, используемые в строительстве каркаса: подробный взгляд

Выбор материала каркаса определяет биосовместимость, деградацию, механические свойства и простоту изготовления.Исследователями исследована широкая палитра натуральных и синтетических полимеров, часто объединённых в композитные системы для оптимизации производительности.

Природные полимеры

Коллаген и желатин

Коллаген — самый распространенный белок в ECM животных — обеспечивает нативные клеточные связывающие мотивы (последовательности RGD), которые способствуют адгезии и выживанию островков. Желатин (денатурированный коллаген) менее иммуногенен и позволяет термическую гелацию. Оба могут быть сшиты для контроля скорости деградации. Коллагеновые каркасы широко используются в доклинических моделях; они хорошо интегрируются с тканью хозяина и поддерживают функцию островков в течение нескольких месяцев.

альгинат

Алгинат, полученный из бурых водорослей, представляет собой полисахарид, который образует гидрогели в мягких условиях в сочетании с двухвалентными катионами (например, Ca2 +). Его высокое содержание воды имитирует мягкие ткани, и он удивительно биосовместим. Микрокапсулы альгинат используются для инкапсуляции островков в течение десятилетий, но форматы каркасов (макропористые губки, волокна, 3D-печатные сетки) предлагают лучшую сосудистую интеграцию. Основным недостатком альгинат является то, что ему не хватает естественных мест связывания клеток, поэтому часто требуется химическая модификация (например, сопряжение RGD) для улучшения взаимодействия островков.

Фибрин

Фибрин образуется из фибриногена и тромбина — естественного каскада свертывания — и полностью абсорбируется. Фибриновые каркасы обладают исключительными клеточно-клеящимися свойствами и могут быть загружены факторами роста, которые медленно высвобождаются по мере деградации каркаса. Их быстрое разрушение (от дней до недель) может быть ограничением, но они служат хорошими средствами временной доставки островковых кластеров, смешанных с матрицей.

Читосан

Производное хитина из ракообразных оболочек, хитозан положительно заряжен, что позволяет электростатическим взаимодействиям с отрицательно заряженными факторами роста и клеточными поверхностями. Он обладает внутренними антибактериальными свойствами и может быть сшит в гидрогели или пористые губки. Было показано, что каркасы читозана уменьшают инфильтрацию иммунных клеток на животных моделях, вероятно, из-за их способности адсорбировать воспалительные цитокины.

Синтетические полимеры

Поли (молочная-ко-гликолевая кислота) (PLGA)

PLGA является рабочей лошадкой синтетических биоматериалов, потому что она одобрена FDA, разлагается на безвредную молочную и гликолевая кислоту и может быть спроектирована для разложения в течение недель или месяцев. PLGA каркасы обычно изготавливаются в виде пористых пенопластов, электрошоковых сеток или 3D-печатных конструкций. Они обеспечивают отличную механическую прочность и могут инкапсулировать факторы роста для устойчивого высвобождения. Однако продукты кислой деградации могут снизить местный рН, если каркас большой или плохо буферизованный, что может нанести вред островкам.

Поли (этиленгликоль) (ПЭГ)

Гидрогели PEG являются высокогидрофильными и сопротивляются адсорбции белка, что делает их эффективно «стелс» материалами. Они часто используются в качестве иммуноизолирующих барьеров, поскольку они предотвращают клеточную инфильтрацию, позволяя диффузию инсулина и глюкозы. PEG может быть функционализирован с помощью клеевых пептидов с помощью химии щелчка, чтобы сделать каркас допустимым для прикрепления к островку. каркасы на основе PEG продемонстрировали перспективу в предотвращении иммунного отторжения в моделях аллогенной трансплантации.

Поликапролактон (PCL)

PCL разлагается очень медленно (в течение многих лет), что делает его пригодным для долгосрочной структурной поддержки. Он часто сочетается с более быстроразлагающимися полимерами в композитных каркасах. PCL каркасы обычно изготавливаются с помощью электроспиннинга для производства нановолокнистых сеток, которые имитируют топологию ECM, которая, как было показано, сохраняет островковый фенотип в культуре.

Композитные и гибридные материалы

Признавая, что ни один материал не отвечает всем требованиям, многие группы разрабатывают композиционные каркасы. Например, смеси альгината-ПЭГ сочетают биосовместимость альгината с механической прочностью ПЭГ. Композиты коллаген-гиалуроновой кислоты включают сигнальную молекулу гиалуронан, которая способствует ангиогенезу и уменьшает фиброз. Другим перспективным подходом являются децеллюляризованные ЭКО-каркасы, полученные из донорской поджелудочной железы или других тканей, которые сохраняют нативные белки ЭКО, факторы роста и микроархитектура. Хотя поиск и стерилизация являются сложными, эти биомиметические каркасы показали выдающиеся результаты в пилотных исследованиях на животных.

Текущие доклинические и клинические данные

Растущее количество исследований на грызунах и нечеловеческих приматах поддерживает полезность каркасов при трансплантации островков. Например, исследование 2021 года в Nature Communications продемонстрировало, что подкожно-альгинатный каркас, предварительно васкуляризированный микросферами, загруженными VEGF, позволил полностью гликемическую коррекцию у мышей с диабетом в течение более 200 дней, при этом трансплантаты показали надежную васкуляризацию и отсутствие фиброза. В модели нечеловеческих приматов композитный каркас коллагена-PEG, имплантированный в оментум, позволил аллогенным островкам выжить с минимальной иммуносупрессией, достигая независимости от инсулина в течение шести месяцев.

Клинические испытания на людях остаются на ранней стадии. Исследование фазы 1/2 с использованием альгинатной микрокапсулы для трансплантации внутрипортальных островков показало безопасность и некоторую эффективность, но капсульный фиброз ограничил долгосрочную функцию. Более поздние испытания переместились во внепеченочные участки: Научно-исследовательский институт диабета оценивает подкожное устройство каркаса , которое сочетает в себе биоразлагаемую синтетическую сетку с аутологичным фибриновым гелем. Ранние результаты от первых шести пациентов указывают на улучшение выживаемости островков и снижение потребности в инсулине в шесть месяцев. Ожидается, что более крупное многоцентровое исследование начнется в 2025 году.

Современные вызовы и ограничивающие факторы

Несмотря на эти достижения, необходимо преодолеть несколько препятствий, прежде чем биосовместимые каркасы станут обычной частью трансплантации островков.

Иммунное отторжение и фиброзная инкапсуляция

Даже при местной иммуномодуляции иммунная система хозяина может со временем отторгать аллогенные островки. Сами материалы каркаса могут вызывать реакцию чужеродного тела, приводя к осаждению плотной фиброзной капсулы вокруг конструкции, которая блокирует диффузию питательных веществ и создает барьер для высвобождения инсулина. Стратегии смягчения фиброза включают модификацию поверхности с противообрастающими полимерами (например, цвиттерионными покрытиями), совместную доставку антифиброзных препаратов (пирфенидон) и использование материалов, которые естественным образом сопротивляются фиброзу, таких как ультрачистый альгинат с низким содержанием маннуроновой кислоты.

Недостаточная вазуляризация

После имплантации эшафот должен быть быстро васкуляризирован, чтобы снабдить островковый трансплантат. Даже с проангиогенными факторами скорость вспенения сосудов часто слишком медленна, чтобы предотвратить гипоксическое повреждение островков в центре больших эшафотов. Стратегии ускорения васкуляризации включают предваскуляризацию (внедрение эшафот пустой в течение нескольких недель, чтобы позволить образованию сосудов перед добавлением островков), посев с эндотелиальными клетками или эндотелиальными клетками-предшественниками и инженерные микроканалы в эшафот для объемного потока.

Масштабируемость и воспроизводимость производства

Перевод от лабораторных прототипов к строительным лесам клинического уровня требует воспроизводимого производства в соответствии с хорошей производственной практикой (GMP). Натуральные материалы, такие как коллаген и альгинат, демонстрируют пакетные вариации молекулярной массы, чистоты и сшивающего поведения. Синтетические полимеры обеспечивают лучшую консистенцию, но могут потребовать сложной химии. Разработка стандартизированных готовых наборов для строительных лесов, которые могут быть загружены собственными островками пациента, остается инженерной задачей.

Долгосрочная стабильность и функция графта

Большинство исследований сообщают о результатах до 1-2 лет, но долгосрочная стабильность каркасов — особенно синтетических — не была полностью оценена. Побочные продукты деградации, механическая усталость и фиброз на поздней стадии могут поставить под угрозу функцию трансплантата через несколько лет. Кроме того, сами островки имеют ограниченную репликативную способность; возможное истощение бета-клеток может потребовать повторной трансплантации. Конструкции каркасов, которые позволяют пополнять островки или интегрировать бета-клетки, полученные из стволовых клеток, являются активной областью исследования.

Будущие направления: следующее поколение умных каркасов

Заглядывая в будущее, исследователи разрабатывают «умные» каркасы, которые адаптируются к физиологическим сигналам.

Наноинженерные леса

Включение наночастиц (например, золота, мезопористых кремнеземов или наноносителей на основе липидов) позволяет по требованию высвобождать иммуносупрессивные препараты или кислородсодержащие перфторуглеродные эмульсии. Магнитные наночастицы также могут использоваться для удаленного нагрева каркаса (мягкая гипертермия) для модуляции местных иммунных реакций.

3D-биопечать сосудисто-островных конструкций

3D биопечать позволяет точно размещать островки, эндотелиальные клетки и поддерживающие стромальные клетки в решетке биоинки. Ранние исследования доказательств концепции печатали микроорганы поджелудочной железы с патентными микроканалами, которые могут быть подключены к сосудистой системе хозяина. Этот подход обещает решить проблему васкуляризации путем строительства сосудов непосредственно в конструкцию.

Интеграция бета-клеток, полученных из стволовых клеток

С появлением бета-подобных клеток, генерируемых in vitro, из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs), каркасы должны будут вмещать эти клетки, которые обычно менее зрелые и менее прочные, чем трупные островки. Протоколы культивирования каркасов могут имитировать развитие поджелудочной железы, обеспечивая последовательные сигналы ECM и фактора роста, тем самым улучшая зрелость и глюкозо-реактивность бета-клеток, полученных из стволовых клеток, до трансплантации.

Персонализированные и биоразлагаемые «кислородные фермы»

Кислородное снабжение является единственным наиболее важным ограничивающим фактором для выживания островков. Исследователи разрабатывают каркасы, которые включают в себя кислород-генерирующие материалы, такие как перекись кальция или перкарбонат натрия, которые выделяют O2 в течение нескольких дней или недель - достаточно времени для проникновения сосудистой системы хозяина. В сочетании с чувствительным к глюкозе высвобождением инсулина эти каркасы «кислородной фермы» могут поддерживать островки даже в плохо васкуляризированных участках.

Заключение

Биосовместимые каркасы устраняют разрыв между лабораторией и клиникой, обеспечивая защищенную, поддерживающую среду, которая имитирует естественную нишу поджелудочной железы. Они решают основные проблемы трансплантации островков - иммунную атаку, гипоксию, механическое напряжение и плохую интеграцию - с палитрой материалов и дизайнерских стратегий, которые продолжают расширяться. В то время как такие барьеры, как долгосрочная стабильность, скорость васкуляризации и масштабируемость производства, остаются, поле быстро продвигается. Клинические испытания, которые сейчас проводятся, определят, может ли трансплантация островков на основе каркасов достичь прочной независимости инсулина, которая до сих пор ускользала от поля.

Для пациентов с диабетом 1 типа день, когда простая, минимально инвазивная имплантация конструкции островка из семени леса может восстановить полный гликемический контроль без пожизненной иммуносупрессии, больше не является научной фантастикой. Биосовместимые леса — это не просто постепенное улучшение — они представляют собой сдвиг парадигмы в том, как мы доставляем клеточные методы лечения . По мере развития технологии она имеет потенциал превратить трансплантацию островков из спасительной терапии в лечение первой линии.

Для дальнейшего чтения о последних исследованиях см. обзор 2022 в Nature Biomedical Engineering на инженерных нишах для трансплантации островков, и 2023 мета-анализ в Биоматериалы, который суммирует результаты по всем типам каркасов.Блог JDRF предоставляет доступные обновления клинического перевода.