Диабет и поиск лекарства

Сахарный диабет, особенно диабет 1 типа (T1D), остается одной из самых насущных глобальных проблем здравоохранения. По оценкам, 8,4 миллиона человек во всем мире страдают от аутоиммунного разрушения бета-клеток поджелудочной железы, что приводит к абсолютной недостаточности инсулина. Уже более века стандартом лечения является экзогенная инсулинотерапия — жизненно важное, но несовершенное лечение. Пациенты должны постоянно контролировать уровень глюкозы в крови, вычислять дозы инсулина и бороться с постоянно присутствующими рисками гипогликемии и долгосрочных осложнений, таких как нефропатия, ретинопатия и сердечно-сосудистые заболевания. В то время как инсулиновые помпы и непрерывные глюкометры улучшают качество жизни, они не восстанавливают естественное, динамическое регулирование сахара в крови. Вот почему функциональное лечение & #8212; тот, который восстанавливает производство эндогенного инсулина в ответ на физиологическую потребность & #8212; остается конечной целью исследований диабета.

Среди наиболее перспективных путей к этому лечению является клеточная заместительная терапия, и в ее авангарде лежит трансплантация островковых клеток . Пересадка инсулин-продуцирующих островков из донорских поджелудочных желез людям с T1D, исследователи продемонстрировали, что нормальная или почти нормальная регуляция глюкозы может быть восстановлена, иногда в течение многих лет. Хотя все еще ограничена донорским предложением, иммунным отторжением и процедурными рисками, область быстро продвигается благодаря прорывам в биологии стволовых клеток, технологии инкапсуляции и иммуномодуляции. Эта статья предоставляет всеобъемлющий, текущий обзор трансплантации островковых клеток, ее проблем и того, как сходящиеся инновации меняют путь к прочному лечению диабета.

Что такое трансплантация островковых клеток?

Трансплантация островковых клеток — это процедура, в которой изолированные кластеры клеток поджелудочной железы & #8212; островки Лангерганса, в которых находятся бета-клетки, секретирующие инсулин & #8212; вводятся в печень реципиента & #8217 для восстановления производства инсулина. В отличие от трансплантации поджелудочной железы всего органа, которая является крупной хирургической операцией с более высокой заболеваемостью, трансплантация островков является минимально инвазивной. Концепция восходит к 1970-м годам, но процедура была преобразована в 2000 году, когда Эдмонтонский протокол продемонстрировал, что безстероидный иммуносупрессивный режим может достичь устойчивой независимости инсулина у пациентов с T1D. Это знаковое исследование, опубликованное в журнале New England Journal of Medicine , показало, что семь последовательных реципиентов стали без инсулина после получения островков от нескольких доноров, что вызвало глобальный интерес к подходу.

Клетки, используемые при трансплантации, обычно получают от умерших доноров органов. После удаления донорской поджелудочной железы островки изолируются и очищаются в специализированных лабораториях с использованием переваривания коллагеназы и центрифугирования с удельной плотностью. Извлеченные островки & #8212; только около 1-2% от общей массы поджелудочной железы, но содержащие все бета-клетки & #8212; затем оцениваются на жизнеспособность и потенцию перед инфузией. Поскольку один донор часто дает недостаточные островки для успешной приживления, многие реципиенты трансплантата получают островки от двух или более доноров для достижения адекватной массы бета-клеток. Весь процесс, от закупки донора до трансплантации, включает тщательную координацию и строгий контроль качества.

Как работает трансплантация островков?

Сама процедура трансплантации удивительно проста. Очищенные островковые клетки суспендируют в стерильном растворе и вливают в портальную вену печени реципиента’s под местной анестезией и радиологическим руководством. В течение следующих недель островки ложатся в небольшие ветви портальной вены и прививают, устанавливая кровоснабжение и начиная секретировать инсулин в ответ на глюкозу. Печень предлагает идеальную среду из-за ее богатого кровотока и портальной циркуляции, которая доставляет питательные вещества и глюкозу непосредственно в привитые клетки.

После приживления трансплантированные островки берут на себя роль разрушенных нативных бета-клеток. Они чувствуют уровень глюкозы в крови и выделяют инсулин и другие гормоны (такие как глюкагон и соматостатин) регулируемым образом. Многие пациенты достигают независимости от инсулина или почти независимой, с заметно сниженными требованиями к экзогенному инсулину. Исследования показывают, что в течение первого года после трансплантации более 60% реципиентов, использующих современные протоколы иммуносупрессии, свободны от ежедневных инъекций инсулина. Даже частичная функция трансплантата может привести к резкому снижению тяжелых гипогликемических событий и улучшенной гликемической изменчивости, измеряемой HbA1c и метриками интервала времени.

Процедура обычно зарезервирована для пациентов с T1D, которые испытывают неосознанность гипогликемии или рецидивирующие тяжелые гипогликемические эпизоды, несмотря на оптимальное медицинское лечение. Это еще не терапия первой линии из-за необходимости пожизненной иммуносупрессии и ограниченного снабжения донорских островков. Однако для тех, кто соответствует критериям приемлемости, трансплантация островков может трансформировать повседневную жизнь, освобождая их от постоянной бдительности, требуемой инсулинотерапией.

Клинические результаты и показатели успеха

Результаты трансплантации островков неуклонно улучшались после Эдмонтонского протокола. Ранние исследования показали, что около 80% реципиентов достигли независимости от инсулина в течение одного года, хотя функция трансплантата со временем снижалась. Более поздние данные из крупных реестров, таких как Совместный реестр трансплантации островков (CITR), показывают, что 5-летние показатели независимости от инсулина теперь приближаются к 50-60% во многих центрах благодаря лучшей иммуносупрессии, улучшенным методам изоляции островков и более тщательному отбору пациентов.

Ключевые показатели исхода включают не только независимость от инсулина, но и полное устранение тяжелых гипогликемических эпизодов, стабилизацию уровня глюкозы и улучшение качества жизни. Даже при полном угасании независимости от инсулина большинство реципиентов годами сохраняют обнаруживаемый С-пептид (маркер эндогенной выработки инсулина), что обеспечивает значительную защиту от гипогликемии. Процедура также снижает прогрессирование связанных с диабетом осложнений, таких как ретинопатия и нефропатия, хотя доказательства являются самыми сильными для пользы при гипогликемии.

Роль иммуносупрессии

Одним из самых больших препятствий для более широкого принятия является необходимость в мощных иммуносупрессивных препаратах для предотвращения отторжения островков донора и рецидива аутоиммунитета. Текущие протоколы обычно сочетают индукционную терапию (например, антитимоцитный глобулин или алемтузумаб) с поддерживающими агентами, такими как такролимус, микофенолат мофетил и кортикостероиды с низкими дозами. Эти схемы несут риски инфекции, нефротоксичности и метаболических побочных эффектов, и их необходимо принимать для жизни трансплантата. Однако тестируются новые агенты с улучшенными профилями безопасности, включая костимулирующие блокадные препараты, такие как бетацепт, которые могут уменьшить побочные эффекты, предотвращая отторжение.

Основные проблемы, с которыми сталкивается трансплантация островков

Несмотря на свои обещания, трансплантация островковых клеток не является широко распространенным лекарством. Четыре основные проблемы должны быть преодолены, прежде чем она может быть развернута в качестве стандартной терапии для миллионов людей, живущих с T1D.

1.Нехватка донорских органов

Количество человеческих поджелудочных желез, доступных для изоляции островков, крайне недостаточно. В США ежегодно становится доступным только от 8000 до 10000 умерших доноров, и из них многие поджелудочные железы непригодны из-за возраста донора, ожирения или панкреатита. Более того, сама изоляция островков дает переменные числа и качество клеток. Для лечения даже части из 1,6 миллиона человек с T1D в США необходим альтернативный источник клеток.

2. Иммунное отторжение и аутоиммунное рецидивирование

Пересаженные островки сталкиваются с атакой как от аллоредекции (иммунная система реципиента & #8217, признающая донорскую ткань чужеродной), так и от рецидивирующего аутоиммунного разрушения. Аутоиммунный процесс, который первоначально убил нативные бета-клетки, сохраняется и может повредить трансплантат. Эта двойная угроза требует пожизненной иммуносупрессии, которая сама по себе несет риски и затраты. Кроме того, иммуносупрессия может не полностью защитить трансплантат от аутоиммунных Т-клеток памяти, что приводит к постепенному функциональному снижению.

3.Прочность привития

Даже при оптимальной иммуносупрессии функция трансплантата часто со временем снижается.Причины многофакторные: хроническое воспаление, потеря массы бета-клеток, метаболический стресс от гипергликемии и кумулятивная токсичность иммуносупрессивных препаратов. Улучшение долгосрочной выживаемости трансплантированных островков остается центральным приоритетом исследований.

4. Процедурные риски и издержки

Вливание в портальную вену может вызвать осложнения, такие как тромбоз портальной вены, кровотечение и преходящее повышение ферментов печени. Процедура в целом безопасна, но встречаются редкие серьезные нежелательные явления. Кроме того, затраты на островковую изоляцию, госпитализацию и иммуносупрессивные препараты высоки, ограничивая доступ к специализированным центрам трансплантации и системам здравоохранения с достаточными ресурсами.

Последние достижения, которые меняют поле

Исследователи атакуют эти проблемы на нескольких фронтах, и несколько недавних прорывов двигают область к масштабируемой, менее токсичной и более устойчивой клеточной терапии диабета.

Стволовые клетки - Производные островки

Наиболее трансформационным развитием является способность генерировать функциональные, инсулин-продуцирующие бета-клетки из плюрипотентных стволовых клеток человека. Такие компании, как Vertex Pharmaceuticals, произвели полностью дифференцированные островки стволовых клеток (SC-островки), которые очень похожи на родные островки в морфологии и функции. В первом клиническом испытании на людях (VX-880) Vertex сообщил, что один пациент с T1D достиг независимости от инсулина и стабильного контроля глюкозы после получения половины целевой дозы SC-островков в сочетании с иммуносупрессией. Этот результат впервые продемонстрировал, что клетки, полученные из стволовых клеток, могут восстановить гликемический контроль у людей, открывая дверь к неограниченному запасу островковых клеток.

Другие группы, в том числе ViaCyte (сейчас объединены с Vertex) и Sernova, применяют аналогичные подходы с использованием инкапсулированных стволовых клеток-предшественников, которые созревают в бета-клетки in vivo. Эти инкапсулированные устройства направлены на защиту клеток от иммунной атаки без необходимости системной иммуносупрессии, что потенциально делает терапию более безопасной и доступной. Успех ранних клинических испытаний предполагает, что готовый, массово производимый островковый продукт может стать реальностью в течение следующего десятилетия.

Инкапсуляция и иммунная защита

Для решения проблемы иммуносупрессии исследователи разрабатывают биосовместимые системы инкапсуляции, которые позволяют кислороду и питательным веществам достигать островков, защищая их от иммунных клеток и антител. Устройства для макроинкапсуляции (например, TheraCyte или Sernova & #8217;s Cell Pouch) содержат тысячи островков в полупроницаемой мембране, которая предотвращает иммунную торговлю. Микрокапсуляция покрывает отдельные островки или небольшие кластеры в защитном гидрогеле. В то время как более ранние устройства страдали от реакций инородного тела и ограниченного снабжения кислородом, более новые конструкции включают встроенные системы доставки кислорода (например, бета-воздух) или эшафоты, способствующие васкуляризации. В настоящее время проводится несколько клинических испытаний, чтобы проверить, могут ли инкапсулированные островки, полученные из стволовых клеток, функционировать у пациентов без иммуносупрессии.

Редактирование генов и иммуномодулирование

Редактирование генов на основе CRISPR предлагает еще один мощный инструмент. Инженерно-инженерные донорские или стволовые клетки-производные островки, чтобы избежать иммунного распознавания, исследователи надеются создать & #8220; универсальные & #8221; клетки, которые могут быть пересажены без иммуносупрессии. Например, удаление генов для молекул класса I и класса II, при чрезмерной экспрессии лигандов иммунной контрольной точки, таких как PD-L1, может сделать клетки & #8220; невидимые & #8221; аллореактивным Т-клеткам. Доклинические исследования на мышах и нечеловеческих приматах показали длительную выживаемость трансплантата с использованием таких отредактированных клеток. Аналогично, вооружая островки противовоспалительными факторами или индуцируя местный иммуноотверждение может дополнительно защитить трансплантат.

Ксенотрансплантация

Генетически модифицированные свиньи, чьи органы менее иммуногенны, были разработаны, а неонатальные свиные островки были пересажены людям в ограниченных клинических испытаниях. В то время как свиные островки могут секретировать инсулин, который работает у людей, риск зоонозных инфекций и необходимость сильной иммуносупрессии остаются препятствиями. Недавние достижения в редактировании генов (например, выбивание эндогенных ретровирусов свиней) уменьшили некоторые из этих проблем, и текущие исследования оценивают ксенотрансплантацию свиных островков как мост или альтернативу человеческим островковым трансплантатам.

Будущие направления на пути к излечению

Сближение биологии стволовых клеток, редактирования генов и инженерии создает дорожную карту для функционального лечения диабета. В течение следующего десятилетия мы, вероятно, увидим следующие этапы:

  • Масштабируемое производство островков, полученных из стволовых клеток: Производственные процессы, которые дают последовательные, высококачественные бета-клетки по цене, достаточно низкой для лечения даже глобального населения диабета, будут установлены.
  • Устройства для инкапсуляции с кислородной поддержкой: Гибридные устройства, которые сочетают макроинкапсулирование с внутренним кислородным снабжением или васкуляризированные каркасы, должны обеспечивать долгосрочную выживаемость трансплантата у иммунокомпетентных пациентов, устраняя необходимость системной иммуносупрессии.
  • Комбинация генного редактирования и индукции толерантности: CRISPR-инженерные универсальные островковые клетки в сочетании с краткосрочными иммуномодулирующими методами лечения (например, регуляторная индукция Т-клеток) могут обеспечить длительное принятие трансплантата без хронических лекарств.
  • Интеграция замкнутого цикла с непрерывными глюкозомониторами: Умные клеточные методы лечения, которые производят инсулин по требованию, но также в сочетании с электронным зондированием, могут обеспечить сверхточный контроль.
  • Персонализированные островковые трансплантаты: Используя индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, полученные от пациента, можно создать аутологичные островки, которые избегают каких-либо иммунных проблем.

Путь от лабораторных прорывов к широко доступной терапии не лишен препятствий. Необходимо преодолеть нормативные, производственные и стоимостные барьеры. Тем не менее, темпы инноваций дают основания для осторожного оптимизма. Организации, такие как JDRF и Национальный институт диабета и болезней пищеварительной системы и почек (NIDDK) продолжают финансировать клинические испытания, которые продвигают область. Замечательный успех исследования Vertex VX-880, в котором пациент достиг независимости от инсулина из островков, полученных из стволовых клеток, подчеркивает, что мы больше не просим , если возможно лечение на основе клеток, но , когда он будет достаточно усовершенствован для рутинного клинического использования.

Последствия для пациентов и будущее лечения диабета

Для лиц, живущих с диабетом 1 типа, последствия успешной островковой заместительной терапии глубоки. Способность восстанавливать естественную секрецию инсулина означает свободу от постоянного бремени контроля уровня сахара в крови, подсчета углеводов, дозирования инсулина и боязни тяжелой гипогликемии. Пациенты, перенесшие островковую трансплантацию, сообщают о резком улучшении качества жизни, включая улучшение способности к физическим упражнениям, сну и работе без перерыва. Даже частичная функция трансплантата снижает частоту и тяжесть гипогликемических событий и нормализует гликемическую изменчивость.

Для более широкого сообщества диабетиков переход к клеточной терапии представляет собой изменение парадигмы. Вместо того, чтобы управлять хроническим прогрессирующим заболеванием, фокус движется к одноразовому или прерывистому регенеративному лечению. Если стратегии инкапсуляции и иммунной защиты окажутся безопасными и долговечными, терапия может быть предложена детям и недавно диагностированным пациентам, потенциально сохраняя остаточные функции бета-клеток и предотвращая долгосрочные осложнения. Функциональное лечение не обязательно означает пожизненную нормализацию без лекарств, но оно может устранить ежедневную борьбу и резко снизить риск осложнений.

Исследователи из ведущих учреждений, в том числе те, которые были выделены в оригинальном исследовании Эдмонтонского протокола, продолжают совершенствовать подход. Между тем, фармацевтические компании, такие как Vertex, вложили значительные средства в терапию на основе стволовых клеток, сигнализируя о том, что отрасль теперь видит жизнеспособный коммерческий и медицинский путь вперед. Недавний обзор в NIH-PubMed суммирует состояние техники и подчеркивает импульс.

Заключение

Трансплантация островковых клеток уже продемонстрировала, что восстановление эндогенной секреции инсулина может изменить жизнь людей с диабетом 1 типа. Путь от процедуры, ограниченной дефицитом доноров и иммуносупрессией, к масштабируемой терапии на основе стволовых клеток и иммунной защиты в настоящее время идет полным ходом. С продолжающимися инвестициями, совместными клиническими испытаниями и инновационной наукой замена островков готова стать основой функционального лечения диабета. Хотя никакая терапия не без риска, комбинация последних достижений делает ее наиболее реалистичной ближайшей перспективой для миллионов, ищущих освобождения от ежедневного бремени инъекций инсулина. Для пациентов и исследователей будущее никогда не выглядело ярче.