Table of Contents

Понимание биоискусственных устройств поджелудочной железы

Сахарный диабет остается одной из самых насущных глобальных проблем здравоохранения, затрагивающих примерно 537 миллионов взрослых в 2021 году - число, по прогнозам, возрастет до 783 миллионов к 2045 году. Краеугольным камнем управления диабетом является строгий гликемический контроль, но современные методы лечения, такие как экзогенные инъекции инсулина и непрерывные глюкозомониторы, накладывают значительное ежедневное бремя и часто не имитируют естественный инсулиновый ответ организма. Неосведомленность о гипогликемии, долгосрочные микрососудистые и макрососудистые осложнения и психологические потери от постоянного самоконтроля приводят к поиску более физиологических решений. В этом ландшафте разработка биоискусственных устройств поджелудочной железы представляет собой терапевтический рубеж, меняющий парадигму - тот, который объединяет живые, инсулин-продуцирующие клетки с инженерными биоматериалами для автономного регулирования глюкозы в крови.

Биоискусственная поджелудочная железа сочетает клеточную терапию с барьерной технологией для воссоздания глюкозо-чувствительной секреции инсулина здоровой поджелудочной железы. В отличие от полностью механических искусственных поджелудочных желез, которые полагаются на инсулиновую помпу и непрерывный глюкозомонитор, связанный алгоритмом управления, биоискусственная поджелудочная железа использует живые островковые клетки (часто полученные из человеческих трупных или стволовых клеток), заключенные в полупроницаемой мембране. Эта мембрана выполняет две основные функции: она защищает трансплантированные клетки от иммунной атаки, тем самым уменьшая или устраняя необходимость в системной иммуносупрессии, и позволяет быстрое диффузии глюкозы, кислорода и питательных веществ внутрь, позволяя инсулину и другим метаболическим отходам выходить в кровообращение.

Основные архитектурные дизайны

Существует несколько архитектур дизайна, каждая из которых имеет свои преимущества и компромиссы с точки зрения емкости загрузки клеток, места имплантации и интеграции сосудов:

  • Макрокапсуляционные устройства — большие камеры или листы, в которых находятся сотни тысяч островков в плоском или трубчатом мешочке, часто помещаемые подкожно или в брюшинную полость. Примеры включают устройства ViaCyte PEC-Direct и PEC-Encap, а также платформу DRI BioHub (Университет Майами). Эти устройства позволяют легче извлекать и заменять, но сталкиваются с проблемами с диффузией кислорода в масштабе.
  • Микрокапсуляционные устройства — отдельные островки или небольшие скопления клеток покрыты тонкой гидрогелевой оболочкой, обычно альгинатной или полиэтиленгликольной, создавая тысячи микроскопических сфер, которые вводятся в брюшину или имплантируются в васкуляризированный участок. Такой подход максимизирует соотношение площади поверхности к объему для обмена питательными веществами, но делает извлечение устройства непрактичным.
  • Мембранозные системы — используют плоские или цилиндрические мембраны с индивидуальными размерами пор, которые могут быть хирургически имплантированы и подключены непосредственно к сосудистой системе, обеспечивая прямой интерфейс крови для быстрого восприятия глюкозы и высвобождения инсулина.Эти системы требуют более инвазивной хирургии, но предлагают наиболее физиологическую кинетику ответа.

Все эти конфигурации имеют общую цель создания постоянного, автономно функционирующего трансплантата, который устраняет необходимость в ежедневных инъекциях и постоянном мониторинге глюкозы. Исследования за последнее десятилетие продвинулись от исследований на животных до ранних фаз клинических испытаний на людях с обнадеживающими показателями как безопасности, так и эффективности.

Современные исследования и разработки Milestones

Темпы инноваций в технологии биоискусственной поджелудочной железы заметно ускорились с 2020 года, чему способствовали прорывы в биологии стволовых клеток, материаловедении и иммуномодуляции.В настоящее время во всем мире активно работают несколько ключевых исследовательских потоков, каждый из которых решает критические узкие места на пути к клиническому переводу.

Источники островковых пород Stem-Cell-Derived

Одним из самых больших препятствий для этой области является получение надежного, масштабируемого и этически обусловленного снабжения инсулин-продуцирующих клеток. Кадаверические островки успешно использовались в клинической трансплантации островков (протокол Эдмонтона), но нехватка доноров и необходимость пожизненного ограничения иммуносупрессии широко распространены. Для преодоления этого исследователи обращаются к плюрипотентным стволовым клеткам (как эмбриональные, так и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, иПСК) как практически неограниченный источник клеток.

Такие компании, как ViaCyte (теперь часть Vertex Pharmaceuticals), разработали устройства, содержащие клетки-предшественники поджелудочной железы, которые созревают в функциональные бета-клетки в организме. В 2021 году ViaCyte сообщила о данных своего клинического испытания фазы I/II (NCT03163511), показывающих, что устройство PEC-Encap при имплантации подкожно у пациентов с диабетом 1 типа привело к обнаружению уровней человеческого С-пептида (маркера производства инсулина) у некоторых реципиентов. Совсем недавно VX-880 Vertex, полностью дифференцированная островковая терапия, полученная из стволовых клеток, доставляемая через инфузию портальной вены без инкапсуляции, показала замечательные результаты в устранении инсулиновой зависимости у одного пациента после однократной дозы, но требует системной иммуносупрессии. Напротив, инкапсулированные подходы направлены на обеспечение той же пользы без необходимости в препаратах, которые подавляют иммунную систему, которые несут риски инфекции, злокачественности и токсичности органов.

Параллельный подход от Sernova Corp использует систему клеточного мешка, которая имплантируется под кожу для создания васкуляризированной камеры, в которую впоследствии вводятся островки.В 2023 году компания сообщила, что все пациенты в исследовании I/II фазы достигли независимости инсулина со стабильным гликемическим контролем через 12 месяцев после имплантации, используя трупные островки с минимальной иммуносупрессией.В настоящее время разрабатываются планы по комбинированию мешочка с островками, полученными из стволовых клеток, потенциально устраняя необходимость в иммуносупрессии вообще.

Инновации в инкапсулирующих материалах и иммунозащите

Инкапсулирующие материалы развиваются в соответствии со строгими требованиями биосовместимости. Традиционные альгинатные гидрогели, хотя и хорошо переносимые, часто вызывают реакцию инородного тела, приводящую к фибротному разрастанию, которое блокирует обмен питательными веществами и в конечном итоге вызывает гибель островков. Исследователи из Массачусетского технологического института и Бостонской детской больницы разработали модифицированные альгинаты с химическими покрытиями (например, диоксид триазола-тиоморфолина), которые значительно уменьшают фиброз у приматов, не являющихся людьми. Другие группы исследуют синтетические гидрогели, такие как полиэтиленгликоль (PEG) и цвиттерионные полимеры, которые сопротивляются адсорбции белка и клеточному разрастанию из-за их сильно гидратированных поверхностей.

Другим прорывом является концепция обратимой иммуноизоляции с использованием генетически модифицированных островков, которые экспрессируют «выключатели», чтобы избежать обнаружения иммунной системы. Включая иммуносупрессивные молекулы, такие как CTLA4-Ig или PD-L1 локально в устройстве, можно полностью избежать системной иммуносупрессии. Исследование Женевского университета показало, что микроинкапсулированные островки, совместно экспрессирующие эти белки контрольной точки, выживали более 200 дней у иммунокомпетентных диабетических мышей с нормальным гликемическим контролем. Этот подход представляет собой гибридную стратегию, которая сочетает физическую инкапсулирование с биологической иммуномодулированием для усиленной защиты.

Стратегии кислородизации и васкуляризации

Даже при продвинутой инкапсуляции высокое потребление кислорода островковыми клетками остается критической проблемой. Без капиллярной сети островки полагаются исключительно на диффузию, которая ограничивает плотность клеток, которые могут выжить в устройстве. Проводится тестирование нескольких подходов для преодоления этого узкого места кислорода:

  • Кислород-генерирующие биоматериалы — такие как пероксид кальция или перкарбонат натрия, встроенные в каркас для высвобождения кислорода с течением времени. Эти материалы могут поддерживать локальное кислородное напряжение выше 40 мм рт.ст. в течение недель, поддерживая жизнеспособность островков даже при более высокой плотности загрузки.
  • Предваскуляризация — имплантация временного каркаса для индуцирования образования кровеносных сосудов перед загрузкой островков. DRI Biohub использует сосновый лоскут для реваскуляризации островкового трансплантата, в то время как клеточный мешок Серновы полагается на естественный ответ заживления раны организма на создание васкуляризованного ложа в течение 4-6 недель.
  • Мембранные оксигенаторы — внешнее поступление кислорода через порт или интегрированный газообменный блок.В ходе недавнего исследования в Швеции NCT04762277 имплантировали устройство для макрокапсуляции со встроенной кислородной батареей у 6 пациентов с диабетом 1 типа, продемонстрировав выживаемость трансплантата в течение более 6 месяцев и измеримую секрецию инсулина без иммуносупрессии.

Каждая стратегия имеет свой профиль риска и пользы: кислород-генерирующие материалы просты, но конечны, предваскуляризация требует двухэтапной операции, а внешние оксигенаторы нуждаются в соблюдении пациентом графиков пополнения.

Ключевые проблемы, с которыми сталкивается технология биоискусственной поджелудочной железы

Несмотря на впечатляющий прогресс, биоискусственные устройства поджелудочной железы еще не достигли долгосрочной надежности, необходимой для рутинного клинического использования. Необходимо устранить несколько основных препятствий, прежде чем эти устройства могут стать стандартным вариантом лечения для более широкой популяции больных диабетом.

Иммунный отказ и фиброз

Даже при качественной инкапсуляции длительное иммунное уклонение не гарантируется. Инородная реакция организма приводит к фиброзу вокруг устройства, которое в течение месяцев-лет отрезает островки от их снабжения кислородом и питательными веществами. Эта фиброзная капсула состоит из коллаген-продуцирующих миофибробластов и иммунных клеток, выделяющих провоспалительные цитокины, создавая враждебную микросреду для выживания островков. Новые технологии покрытия, сочетающие в себе лекарственные микросферы (например, высвобождение дексаметазона или рапамицина) с поверхностью капсулы, изучаются в нескольких лабораториях. Ранние данные о животных показывают уменьшенную толщину фиброзной капсулы и длительную функцию трансплантата, причем некоторые устройства поддерживают эвгликемию в течение более одного года в моделях приматов.

Источники ячеек и контроль качества

Бета-клетки, полученные из стволовых клеток, должны надежно производиться в больших количествах с последовательными профилями секреции инсулина. Переменность в протоколах дифференцировки, различия между партиями и риск образования тератомы из остаточных недифференцированных клеток остаются проблемами безопасности. Vertex и другие компании разработали надежные производственные процессы с строгими проверками качества, включая секвенирование РНК одной клетки и анализы секреции инсулина, стимулируемые глюкозой, для каждой партии. Однако масштабирование до десятков тысяч пациентов в год потребует дальнейшей автоматизации и регулирующего надзора. Стоимость товаров для островков, полученных из стволовых клеток, в настоящее время оценивается в 50 000-100 000 долларов США за дозу для пациента, которая должна быть уменьшена на порядок для широкого распространения.

Длительность и замена устройства

Даже если иммунная система хозяина не уничтожит их, сами клетки в конечном итоге сенесцируют. Текущие исследования бета-клеточных линий, полученных из стволовых клеток, которые могут воспроизводить in situ , могут обеспечить самообновляющийся пул инсулин-продуцирующих клеток внутри устройства. Исследователи из Университета Альберты идентифицировали небольшие молекулы, которые стимулируют пролиферацию бета-клеток, достигая увеличения количества клеток на 5-10% в месяц in vivo. Кроме того, устройства должны быть разработаны для легкого извлечения и замены, в идеале с помощью минимально инвазивной амбулаторной процедуры. Устройства для макроинкапсуляции имеют преимущество здесь, поскольку они могут быть удалены через небольшой разрез под местной анестезией.

Стоимость и доступность

Для того, чтобы биоискусственная поджелудочная железа была принята во всем мире, ее стоимость должна быть сопоставима или ниже, чем пожизненные расходы на инсулин, насосы и мониторы. Анализ эффективности затрат в 2022 году в Diabetes Care подсчитал, что биоискусственное устройство поджелудочной железы должно быть оценено менее чем в 50 000 долларов США за имплантат (с 5-10-летней долговечностью), чтобы быть экономически эффективным в большинстве систем здравоохранения. Достижения в производстве и культуре клеток снижают затраты, но достижение этой цели остается серьезной экономической проблемой. Модели страхового покрытия также должны адаптироваться, переходя от повторяющихся ежемесячных расходов на поставки к единой первоначальной стоимости имплантата с потенциальными гарантийными структурами.

Будущие направления и новые решения

Заглядывая в будущее, несколько новых технологий могут ускорить путь к клиническому принятию и расширить целевую популяцию пациентов для биоискусственных устройств поджелудочной железы.

Генетически спроектированные «универсальные» островки

Технологии редактирования генов, такие как CRISPR-Cas9, предлагают возможность создания гипоиммуногенных островковых клеток, которые уклоняются от иммунного обнаружения без какой-либо инкапсуляции. Выбивая основные молекулы комплекса гистосовместимости (MHC) класса I и II и вставляя гены «иммунного маскирования», такие как CD47, исследователи создали универсальные донорские клетки, которые не отвергаются аллогенными иммунными системами. В 2023 году команда из UCSF продемонстрировала, что отредактированные стволовыми клетками бета-клетки CRISPR выживали более шести месяцев у иммунокомпетентных диабетических мышей без инкапсуляции, поддерживая нормогликемию натощак. Если эти результаты перевести на людей, требование инкапсуляции может быть полностью устранено, упрощая конструкцию устройства и снижая сложность производства.

Двухгормональные системы

Современные биоискусственные устройства поджелудочной железы фокусируются только на доставке инсулина, что решает проблему гипергликемии, но не предотвращает гипогликемию. Добавление к устройству альфа-клеток, секретирующих глюкагон, может создать полностью двухгормонную систему, которая одновременно снижает и повышает уровень глюкозы в крови по мере необходимости. Исследователи из Университета Британской Колумбии разработали совместно инкапсулированные островковые кластеры, содержащие как бета-, так и альфа-клетки, демонстрируя на животных моделях, что двухгормонный подход снижает частоту и тяжесть гипогликемических событий более чем на 60% по сравнению с устройствами, предназначенными только для инсулина.

Интеграция с цифровыми системами здравоохранения

Будущие биоискусственные устройства поджелудочной железы могут включать в себя умные датчики , которые беспроводным образом сообщают о здоровье трансплантата, уровнях глюкозы и выходе инсулина на смартфон пациента или на приборную панель клинициста. Эти датчики могут измерять напряжение кислорода, концентрацию глюкозы и маркеры жизнеспособности клеток в режиме реального времени, позволяя проводить проактивное вмешательство, если устройство начинает выходить из строя. Алгоритмы машинного обучения могут анализировать тенденции и прогнозировать отказ устройства за несколько недель до того, как он станет клинически очевидным, повышая безопасность и персонализацию. Ранние прототипы из академических лабораторий уже демонстрируют возможность интеграции микросенсоров в слои гидрогеля без ущерба для функции клеток.

Клинические последствия для лечения диабета

Если биоискусственные устройства поджелудочной железы преодолеют оставшиеся препятствия, последствия для управления диабетом будут глубокими. Пациентам больше не нужно будет подсчитывать углеводы, рассчитывать дозы инсулина, вводить себе несколько раз в день или носить непрерывные датчики глюкозы. Вместо этого одна процедура имплантации может восстановить почти нормальный гликемический контроль в течение многих лет. Польза от нисходящей процедуры будет включать резкое снижение гипогликемических событий, профилактику диабетических осложнений (ретинопатия, нейропатия, нефропатия, сердечно-сосудистые заболевания) и значительное улучшение качества жизни - особенно свободу от постоянной психической нагрузки управления хроническим состоянием.

Более того, технология может быть адаптирована для лечения диабета 2 типа, особенно у пациентов с тяжелой резистентностью к инсулину, где уменьшается масса островков. Объединение устройства с продуцирующими глюкагон альфа-клетками может даже создать полностью двухгормонную систему, которая предотвращает как гипергликемию, так и гипогликемию. Текущие результаты клинических испытаний, хотя и ограниченные, уже показывают перспективу. Метаанализ, финансируемый JDRF, из инкапсулированных островковых испытаний сообщил, что более 70% реципиентов достигли независимости инсулина в течение по крайней мере трех месяцев после имплантации. Ожидается, что более длительные последующие данные в течение следующих 3-5 лет от текущих испытаний II / III фазы.

Регуляторные пути и доступ к рынку

Регулирующие органы, включая FDA и EMA, создали рамки для продуктов на основе клеточных комбинаций. Обозначение FDA Regenerative Medicine Advanced Therapy (RMAT) было предоставлено нескольким разработчикам биоискусственной поджелудочной железы, ускоряя процесс утверждения. Первые нормативные разрешения на использование человеком могут появиться в течение следующих 5-7 лет, при ограниченном запуске, первоначально ограниченном пациентами с тяжелой гипогликемией или лабильным диабетом. Возмещение, вероятно, потребует надежных экономических данных о здоровье, демонстрирующих снижение частоты осложнений и улучшение качества жизни по сравнению со стандартным уходом.

Ожидаемые преимущества успешной биоискусственной терапии поджелудочной железы включают:

  • Автономный гликемический контроль с минимальными усилиями пациента
  • Устранение большинства гипогликемических эпизодов
  • Снижение долгосрочных темпов осложнений
  • Улучшение психосоциального благополучия
  • Потенциал для функционального «лечения» с помощью одной имплантации

Заключение

Биоискусственная поджелудочная железа представляет собой сближение клеточной терапии, биоматериалов и точной медицины, которая обладает потенциалом фундаментально изменить то, как лечится диабет. В то время как проблемы остаются - особенно долгосрочная иммунная защита, долголетие клеток и стоимость - стремительный темп исследований дает сильную причину для оптимизма. С несколькими устройствами, в настоящее время проводимыми клиническими испытаниями, и миллиардами долларов, инвестированными как государственными, так и частными организациями, путь от скамейки до постели более конкретный, чем когда-либо. Для миллионов людей с диабетом, которые сталкиваются с пожизненными инъекциями, палками и тревогами, обещание биоискусственной поджелудочной железы дает реальную надежду на жизнь, менее отягощенную болезнью. По мере того, как следующая волна клинических испытаний созревает и производственные масштабы, биоискусственная поджелудочная железа может стать стандартом ухода за диабетом 1 типа - и, возможно, для многих с диабетом 2 типа - открывая новую эру клеточной, иммунонейтральной терапии метаболических заболеваний.

Для дальнейшего чтения см. этот всеобъемлющий обзор в Nature Reviews Endocrinology (2022) и последние результаты из Журнал по уходу за диабетом на инкапсулированных человеческих островках в биоискусственной поджелудочной железе .