Устойчивая проблема диабета 1 типа и обещание замены клеток

Для миллионов людей, живущих с диабетом 1 типа (T1D), ежедневное бремя мониторинга глюкозы в крови и введения инсулина является постоянной реальностью. В то время как экзогенная инсулинотерапия спасла бесчисленное количество жизней, она не может идеально воспроизвести изысканные способности здоровой поджелудочной железы, чувствительные к глюкозе и секретирующие инсулин. Это часто приводит к долгосрочным осложнениям, таким как ретинопатия, нефропатия и сердечно-сосудистые заболевания. Трансплантация бета-клеток - замена потерянных или разрушенных инсулин-продуцирующих клеток островками доноров или бета-клетками стволовых клеток - предлагает потенциальное функциональное излечение. Однако широкое распространение этой терапии исторически ограничивалось двумя грозными препятствиями: иммуноопосредованное разрушение трансплантированных клеток и плохая приживленность и выживаемость даже при использовании иммунной подавленности. Клетки нуждаются в питательной среде для интеграции в сосудистую систему хозяина и поддержания их специализированной функции. Именно здесь достижения в биоразлагаемых технологиях каркаса переписывают повествование, обеспечивая критическую структурную и биохимическую поддержку, которая может превратить многообещающую

Что такое биоразлагаемые леса и почему они необходимы?

Биоразлагаемый каркас — это именно то, что подразумевает его название: временная трехмерная структура, изготовленная из материалов, которые организм может безопасно разрушать и поглощать с течением времени. В контексте трансплантации бета-клеток каркас служит синтетическим внеклеточным матриксом (ECM). Естественный ECM представляет собой сложную сеть белков и полисахаридов, которая обеспечивает физическую поддержку, регулирует поведение клеток и облегчает связь между клетками. Когда островки или бета-клетки вводятся непосредственно в портальную вену — как это делается в протоколе Эдмонтона — они часто страдают от мгновенной опосредованной кровью воспалительной реакции и отсутствия поддерживающей ниши, что приводит к значительной потере клеток.

  • Предоставляя защитную нишу: Он удерживает клетки вместе, предотвращая дисперсию и создавая защищенное пространство, которое уменьшает механическое напряжение и иммунную атаку.
  • Содействие васкуляризации: Хорошо спроектированный каркас стимулирует вспышку кровеносных сосудов, что имеет решающее значение для доставки кислорода и питательных веществ и для быстрого восприятия уровня глюкозы в крови трансплантированными клетками.
  • Локализующие трофические факторы: В каркас могут быть загружены факторы роста (например, VEGF, HGF) или противовоспалительные цитокины, которые высвобождаются контролируемым образом для поддержки выживания и интеграции клеток.
  • Постепенная резорбция: По мере того, как каркас деградирует с контролируемой скоростью, он заменяется естественной тканью хозяина, оставляя после себя полностью интегрированный и функциональный эндокринный органоид.

Ключевые материалы для вождения Scaffold Innovation

Выбор материала каркаса имеет первостепенное значение для его успеха. Исследователи изучили разнообразную палитру синтетических и природных полимеров, каждый из которых имеет различные кинетики деградации, механические свойства и профили биосовместимости. Наиболее перспективные кандидаты делятся на несколько категорий:

Синтетические полимеры: точность и настраиваемость

Полилактическая кислота (PLA) и полигликолевая кислота (PGA): Эти полиэфиры являются одними из наиболее широко изученных синтетических биоматериалов. Эти полиэфиры медленно (леты) деградируют, в то время как PGA деградирует быстрее (недели до месяцев). Сополимеры PLA и PGA (PLGA) позволяют точно настраивать время деградации. PLGA каркасы могут быть изготовлены с точными размерами пор и интерконнективностью, что имеет решающее значение для равномерного распределения клеток и диффузии питательных веществ.Биоматериалы продемонстрировали, что PLGA каркасы, засеянные человеческими островками, значительно улучшили жизнеспособность клеток и секрецию инсулина по сравнению со свободными островковыми трансплантатами у мышей-диабетиков (]Lee et al., 2015

Поликапролактон (PCL): PCL разлагается очень медленно (годы), но обладает отличной механической прочностью и гибкостью. Он часто используется для долговременной структурной поддержки в сочетании с быстроразлагающимися материалами. Последние работы показали, что каркасы PCL, покрытые белками внеклеточного матрикса, усиливают прикрепление островков и уменьшают апоптоз (запрограммированная гибель клеток).

Поли(этиленгликоль) (PEG) Гидрогели:] PEG представляет собой гидрофильный полимер, который может быть сшит в гидрогели с содержанием воды, сходным с мягкими тканями. Гидрогели PEG являются высоко биосовместимыми и могут быть разработаны для имитации механической жесткости ниши поджелудочной железы. Они также легко функционализируются с пептидами клеточной адгезии и факторами роста. Однако их деградация часто гидролитическая и может быть медленнее, чем требуется для полностью биоразлагаемой системы.

Природные полимеры: биомиметические и биоактивные

Коллаген и желатин: Коллаген является наиболее распространенным белком в человеческом ECM и по своей природе распознается клетками. Полотенца, полученные из коллагена I типа, обеспечивают превосходное первоначальное прикрепление клеток и иммунную толерантность. Желатин, денатурированная форма коллагена, сохраняет многие из этих преимуществ и легче обрабатывается. Было показано, что каркасы коллагена поддерживают выживание бета-клеток, полученных из стволовых клеток, in vivo (]Mashayekhi et al., 2018 . Однако один только коллаген быстро деградирует, если не сшивать.

Читосан: Производный из хитина (найден в ракообразных оболочках), хитозан является катионным полисахаридом, который получил внимание за свои антимикробные свойства и способность образовывать пористые каркасы.Композитные каркасы читозана-алгината использовались для инкапсуляции островков, создавая барьер иммунной изоляции, позволяя диффузию глюкозы и инсулина. Такой подход может уменьшить потребность в системной иммуносупрессии.

Альгинат: Альгинат, полученный из бурых водорослей, является наиболее часто используемым полимером для островковой микрокапсуляции. Его биосовместимость и легкое гелирование с ионами кальция делают его привлекательным для создания бусинообразных каркасов. Однако альгинаты могут вызывать реакции инородного тела, и недавние модификации, такие как химически ультрачистые альгинаты, продемонстрировали многообещающие возможности в предотвращении фиброзного разрастания в испытаниях на приматах без человека ([FLT: 2]]Vegas et al., 2018 [[FLT: 3]].

Децеллюляризированная внеклеточная матрица (dECM): Возможно, наиболее биомиметический подход, каркасы dECM получены из нативных тканей (например, поджелудочной железы человека) путем удаления клеточного содержимого при сохранении сложной архитектуры ECM. Эти каркасы сохраняют факторы роста и механические сигналы, специфичные для поджелудочной железы, обеспечивая идеальную среду для бета-клеток. В недавнем исследовании использовались каркасы поджелудочной железы для создания биологически активных каркасов, которые значительно улучшают функцию островков человека и выход инсулина (]Передовые функциональные материалы, 2021].

Продвинутые конструкции каркасов: за пределами простых пористых конструкций

Хотя выбор материала является основополагающим, архитектура и функциональность каркасов одинаково важны. Современные технологии каркасов эволюционировали, чтобы включать сложные функции, которые решают конкретные проблемы при трансплантации бета-клеток:

Контролируемая архитектура пор и взаимосвязь

Пористость каркаса напрямую влияет на обмен питательными веществами, удаление отходов и сосудистый врастание. Было показано, что каркасы с порами в диапазоне 50-300 мкм способствуют оптимальной выживаемости островков и секреции инсулина. Передовые методы изготовления, такие как электроспиннинг, 3D-биопечать и термически индуцированное разделение фаз, позволяют точно контролировать размер пор, форму и выравнивание. Например, электроспуновые нановолоконные каркасы могут имитировать фиброзную природу естественного ECM, обеспечивая высокую площадь поверхности для прикрепления клеток и направленные сигналы для миграции клеток.

Иммуномодулирующие каркасы: защита клеток без хронической иммуносупрессии

Основным препятствием при аллогенной трансплантации является иммунный отторжение. Биоразлагаемые каркасы могут быть спроектированы для локальной модуляции иммунного ответа, уменьшая потребность в системной иммуносупрессии, которая несет значительные побочные эффекты. Стратегии включают:

  • Включая иммунодепрессанты (например, циклоспорин, рапамицин), которые высвобождаются локально, достигая высоких местных концентраций при минимизации системного воздействия.
  • Представляющий лиганд Fas (FasL) или PD-L1 на поверхности каркаса, чтобы вызвать апоптоз инфильтрации Т-клеток.
  • Сопоставление регуляторных Т-клеток (Tregs) или толерогенных дендритных клеток в каркасе для создания иммунно-привилегированной микросреды.
  • Инкапсуляция в полупроницаемых мембранах с использованием таких материалов, как альгинатные или гидрогелевые покрытия, которые физически отделяют клетки-доноры от иммунных клеток-хозяев, позволяя диффузию глюкозы и инсулина.

В знаковом исследовании группы Луо использовался каркас PLGA, высвобождающий комбинацию TGF-β1 и IL-10 для преобразования эффекторных Т-клеток в регуляторные Т-клетки в участке трансплантата, что привело к долгосрочному принятию островкового трансплантата в модели мыши (]Science Advances, 2019].

Стратегии васкуляризации: создание кровоснабжения

Бета-клетки очень метаболически активны и требуют быстрой доставки кислорода, чтобы функционировать должным образом. Без близкого кровоснабжения клетки в центре каркаса погибнут от гипоксии. Исследователи решают эту проблему с помощью нескольких подходов:

  • Доставка фактора роста: Включение VEGF (фактор роста эндотелия сосудов) и PDGF (фактор роста тромбоцитов) в каркас для привлечения эндотелиальных клеток хозяина и стимулирования образования новых кровеносных сосудов. Контролируемые препараты высвобождения с использованием факторов роста, связанных с гепарином, показали превосходную неоваскуляризацию.
  • Кокультура с эндотелиальными клетками: Посещение каркаса смесью бета-клеток и эндотелиальных клеток-предшественников может ускорить формирование функциональных микрососудов, которые соединяются с циркуляцией хозяина.
  • Предваскуляризация в богатой кислородом камере: Имплантация каркаса на внесосудистом участке (например, на мазке), за которой следует неделя инкубации до засева бета-клеток, позволяет впрыскивать сосуд-хозяин. Этот подход к васкуляризации с приглашением хозяина был успешно протестирован в клинических испытаниях для паратиреоидной гормональной терапии.
  • Кислород-генерирующие каркасы: Включение таких материалов, как пероксид кальция (CaO2), которые производят кислород при гидратации, обеспечивает немедленное поступление кислорода до тех пор, пока не произойдет васкуляризация. Это может поддерживать жизнь клеток в течение критической первой недели после трансплантации.

Клинический перевод: переезд из Бенч в Бедсайд

Область продвинулась за пределы моделей грызунов к более крупным исследованиям на животных и ранним испытаниям на людях. Примечательным примером является работа доктора Камилло Рикорди и его коллег с использованием устройства макроинкапсуляции, называемого «Биоартификационная поджелудочная железа» или «ViaCyte» (теперь приобретенного Vertex Pharmaceuticals). Это устройство использует полупроницаемую мембрану в сочетании с бета-клетками, полученными из стволовых клеток, и было имплантировано пациентам в фазе 1/2 клинического испытания. Результаты показывают доказательства созревания in vivo и секреции инсулина, отвечающей за глюкозу (]Cell Stem Cell, 2021 . Другой подход — технология «Нео-Ислет» от Диатранца Отсуки, которая использует биоразлагаемый коллагеновый каркас, имплантированный в оментум. В исследовании Фазы 2а в Австралии сообщалось об успешной независимости инсулина у некоторых пациентов в течение более 12 месяцев (]Diabetes Care, 2021 [[

Несмотря на эти успехи, остаются проблемы:

  • Расширение производства последовательных, стерильных каркасов для клинического использования не тривиально. Должны соблюдаться стандарты надлежащей производственной практики (GMP), и воспроизводимость между партиями имеет важное значение.
  • Оптимальный участок имплантации по-прежнему обсуждается. Печень (через инфузию портальной вены) является традиционной, но исследуются оментум, подкожное пространство и брюшинная полость. Каждый участок имеет различную васкулярность, иммунные соображения и практические ограничения.
  • Долгосрочная безопасность побочных продуктов деградации (например, молочной кислоты из PLGA) должна контролироваться, хотя они, как правило, хорошо переносятся в локализованных дозах.

Будущие направления: конвергенция со стволовыми клетками, редактирование генов и точная медицина

Будущее биоразлагаемых каркасов неотделимо от достижений в биологии стволовых клеток и редактировании генов. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSC) могут быть дифференцированы в функциональные бета-клетки, но они часто требуют контролируемой среды для правильной созревания. Рукава, имитирующие нишу развития, включая градиенты жесткости, градиенты кислорода и коктейли фактора роста, могут направлять клетки, полученные из iPSC, к полностью функциональному фенотипу. Сочетание каркасов с редактированием генов на основе CRISPR может позволить коррекцию генетических дефектов в собственных клетках пациента до трансплантации, устраняя необходимость иммуносупрессии даже в аутологичных условиях.

Еще одним захватывающим рубежом является разработка «умных» каркасов , которые реагируют на сигналы окружающей среды. Они могут включать гидрогели, которые изменяют жесткость в ответ на уровень глюкозы, высвобождая инсулин локально; или каркасы, которые экспрессируют «переключатель», чтобы вызвать гибель клеток, если возникает аберрантное поведение (например, неконтролируемое пролиферацию). Биоразлагаемые каркасы также могут быть интегрированы с носимыми датчиками и беспроводной электроникой для обеспечения мониторинга в режиме реального времени инженерной ткани.

Наконец, персонализация материалов каркаса, вероятно, станет более заметной. Используя полученные от пациента DECM и индуцированные плюрипотентные клетки, исследователи предполагают создание идеально подобранных островковых органоидов, которые переносятся иммунологически. Экономические и логистические препятствия существенны, но потенциал для превращения диабета из хронического заболевания в излечимое состояние делает это одной из самых захватывающих областей регенеративной медицины.

Заключение

Технологии биоразлагаемых каркасов эволюционировали от простых носителей клеток до сложных платформ, которые активно поддерживают выживание клеток, модулируют иммунитет и направляют регенерацию тканей. Их роль в трансплантации бета-клеток больше не является вспомогательной - она играет центральную роль в преодолении барьеров, которые десятилетиями преследовали клеточную заместительную терапию. Обеспечивая безопасное убежище для клеток для приживления, подключения к кровоснабжению и функционирования в соответствии с глюкозой, эти каркасы приближают мечту о биологическом лечении диабета к реальности. Продолжение междисциплинарного сотрудничества между учеными-материалистами, иммунологами, эндокринологами и биоинженерами будет иметь важное значение для уточнения этих технологий и их перемещения по регуляторному пути к широкому клиническому принятию. Для пациентов с диабетом 1 типа будущее - это то, где игла и насос могут наконец уступить живому, интегрированному органоиду, который восстанавливает естественную регуляцию инсулина в течение многих лет - или даже всей жизни.