Vývoj bioartifikálnych pankreatických zariadení predstavuje sľubnú hranicu v liečbe cukrovky 1. typu. Pre milióny ľudí, ktorí žijú s týmto stavom, denné bremeno monitorovania glukózy v krvi, inzulínové injekcie a neustále riziko hypoglykémie alebo hyperglykémie môže byť vyčerpávajúce a nebezpečné. Kým tradičné pankreas alebo transplantácie ostrovčekov môžu poskytnúť funkčné vyliečenie, tieto možnosti sú výrazne obmedzené nedostatkom darcu a potrebou celoživotnej imunosupresie. Bioartificiálne pankreatické pomôcky majú za cieľ preklenúť túto medzeru kombináciou živých buniek produkujúcich inzulín s technickými technológiami na vytvorenie samoregulačného systému, ktorý napodobňuje prirodzený pankreas. Tento článok skúma súčasný stav týchto pomôcok, ich potenciálne výhody nad transplantáciami, pretrvávajúce výzvy a budúce smery tejto transformačnej technológie.

Čo sú bioartificiálne zariadenia Pancreas?

Bioartificiálny pankreas zariadenie je hybridný systém, ktorý integruje biologické tkanivo ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch ch

Komponenty bioartificiálneho pankreasu

Typický bioartificiálny pankreas sa skladá z troch hlavných prvkov:

  • [Inulínové bunky produkujúce:[ Zvyčajne ide o bunky z ostrovčekov darovaných ľudských pankreasov, ale môžu byť tiež odvodené z kmeňových buniek, živočíšnych zdrojov (xenotransplantácia) alebo geneticky upravených bunkových línií. Tieto bunky reagujú na okolité hladiny glukózy vylučovaním inzulínu, keď je hladina glukózy vysoká, a znížením sekrécie, keď je glukóza nízka.
  • [Dobíjací materiál: Bunky sú uzavreté v polopriepustnej membráne, ktorá ich chráni pred imunitným systémom príjemcu
  • [Implantačná platforma:[ Zapuzdrené bunky sa môžu umiestniť do makroskopickej komory (často plochého plechu alebo trubice) alebo ako mikroskopické kapsule. Niektoré zariadenia zahŕňajú aj integrovaný glukózový senzor alebo bezdrôtový komunikačný modul na externé monitorovanie.

Typy enkapsulácie

V makrokapsulácii je umiestnený veľký počet buniek v jednej komore alebo lešení. Tento prístup umožňuje jednoduché vyhľadávanie v prípade potreby a môže byť prevakardovaný na zlepšenie dodávky kyslíka. Medzi príklady patrí zariadenie ViaCyte PEC-Direct, ktoré má pórovitú membránu umožňujúcu priamy rast krvných ciev a PEC-Encap, ktorá používa ochrannejšiu membránu bez póru. Mikrokapsulácia zahŕňa zatvorenie malých skupín buniek (často 500

Ako fungujú bioumelé vrásky

Fyziologická funkcia bioartifikálnej pankreasu závisí od inherentnej schopnosti beta buniek vnímať koncentráciu glukózy cez transportér GLUT2 a glukokinázový enzým. Keď stúpne hladina glukózy v krvi, beta bunky zvyšujú sekréciu inzulínu v priebehu niekoľkých minút. Zapuzdrovanie membrány musí umožniť rýchlu difúziu glukózy do pomôcky a inzulínu do krvného obehu. Väčšina zariadení je navrhnutá tak, aby bola implantovaná podkožne, intraperitoneálne alebo v omentálnom vaku. Po čase môže telo vytvoriť cievnu sieť okolo zariadenia, ak je membrána vytvorená s pravou porositou a povrchovými vlastnosťami. Bez adekvátnej vaskularizácie sa dodávka kyslíka stáva obmedzujúcim faktorom, pretože beta bunky majú vysoké metabolické požiadavky.

Niektoré pokročilé prototypy obsahujú samostatnú kyslík generujúce vrstvu alebo použitie nosiče kyslíka na udržanie životaschopnosti buniek. V posledných rokoch, výskumníci tiež vyvinuli

Výhody nad tradičnými transplantáciami

Eliminácia imunosupresie

Najvýznamnejšou výhodou bioartifikálnych zariadení pankreasu je potenciál pre zabránenie celoživotnej imunosupresívnej drogy. Celoorgán pankreasu transplantácie alebo transplantácie ostrovčeka zvyčajne vyžaduje silnú imunosupresiu, čo zvyšuje riziko infekcií, malignít, nefrotoxicity, a ďalšie vedľajšie účinky. Fyzicky izolovať transplantované bunky z imunitného systému, zapuzdrenie umožňuje prístup k liečbe oveľa širšej populácie, vrátane detí a tých s miernymi komplikáciami, ktoré sa v súčasnosti nepovažujú za vhodné pre transplantáciu.

Riešenie nedostatku darcu

Nedostatok pankreasov je hlavným problémom. Súčasné transplantácie ostrovčekov závisí od orgánov zosnulých darcov a menej ako 2000 transplantácií pankreasu sa vykonáva ročne v Spojených štátoch. Bioartifikálne zariadenia môžu potenciálne použiť alternatívne bunkové zdroje, ako sú beta bunky odvodené od kmeňových buniek (islety odvodené od kmeňových buniek, alebo SC-islet), xenogénne bunky z geneticky modifikovaných ošípaných, alebo obnoviteľné nesmrteľné bunkové línie. Ak sa tieto zdroje stanú spoľahlivými, zariadenia by mohli byť masovo vyrábané, čím by sa cukrovka stala zvládnuteľnou jednorazovou implantovateľnou liečbou, a nie chronickou každodennou bojom.

Minimálna invazívna implantácia

Celo-pankreas transplantácia je hlavný chirurgický zákrok s významnou chorobnosťou, vrátane cievnych komplikácií, štep pankreatitída, a rejekcia. Islet transplantácia je menej invazívna (infúzia do portálnej žily), ale to stále vyžaduje katetrizáciu a nesie riziká, ako je krvácanie a portálnu hypertenziu. Väčšina bioartificiálne pankreasu zariadenia môžu byť implantované pomocou jednoduchého subkutánnej incízie alebo laparoskopickej procedúry, zníženie času zotavenia a operačné riziko. Niektoré mikrokapsule liečby môžu byť dokonca vstrekované pod lokálnou anestéziou.

Zlepšenie kvality života a metabolickej kontroly

A fully functional bioartificial pancreas would provide glucose-responsive insulin delivery around the clock, freeing the patient from the constant need to calculate insulin doses, count carbohydrates, and anticipate exercise or stress events. Studies of islet transplantation have shown that successful grafts lead to insulin independence and normalization of HbA1c. The bioartificial approach aims to achieve similar metabolic outcomes while eliminating the need for immunosuppression, potentially offering a net improvement in quality of life.

Súčasné výzvy a prekážky

Kyslíkový zdroj a bunková životaschopnosti

Jedným z najkritickejších prekážok je zabezpečenie dostatočného prísun kyslíka do zapuzdrených buniek. V rodnom pankrease, ostrovčeky prijímať kyslík z hustej siete kapilár. Zaplavené bunky, najmä tie, ktoré sú umiestnené vo veľkých komorách, spoliehať na difúziu sám, čo je obmedzené na hĺbku asi 200 chromozómov. Bez robustného prívodu krvi, bunky v jadre zariadenia sa môže stať hypoxické a zomrieť v priebehu týždňov alebo mesiacov. Výskumníci sa pokúsili prekonať to pomocou kyslíka generujúce biomateriály, zahŕňajúce vaskularizačné faktory, ako je VEGF, alebo navrhnúť zariadenia s tenkou planárovou geometriou, ktorá minimalizuje difúznu vzdialenosť. Ďalšou stratégiou je implantovať zariadenie vo vysoko vaskulárnych miestach, ako je omentum alebo podkožný priestor s prekaularizovanou lešenia.

Imunitná odpoveď a fibróza

Aj s zapuzdrením, cudzie telo reakcie môže predstavovať problém. Imunitný systém môže napadnúť zariadenie samotné, čo vedie k fibróze chromozómové kapsule, ktoré ďalšie limity difúzie glukózy a inzulínu. Alginát používaný v mnohých mikrokapsulách môže vyvolať zápalové reakcie, aj keď novšie chemicky modifikované algináty (ako je triazol-modifikovaný alginát) ukázali, že znížená fibrotické reakcie v zvieracích modeloch. Podobne, materiály používané v makrokapsulačných zariadeniach musia byť starostlivo vybrané, aby sa minimalizovala adsorpcia bielkovín a aktivácie makrofágov. Dlhodobé štúdie u primátov a ľudí ukázali, že fibróza môže nakoniec odrezať zariadenie z obehu hostiteľa, čím sa to nefunkčné.

Presnosť nariadenia o glukóze

V prirodzenom ostrovčeku, intra-isletovej komunikácie a rýchlej mikrocirkulácie umožňujú rýchlu reakciu. V umelom zariadení, difúzia glukózy do kapsuly a inzulín von môže trvať niekoľko minút, potenciálne spôsobuje postprandiálnu hyperglykémiu. Okrem toho, celkový počet životaschopných beta buniek musí byť starostlivo kalibrovaný. Príliš málo buniek vedie k nedostatočnej produkcii inzulínu; príliš veľa zvyšuje riziko hypoglykémie, ak sa naďalej vylučujú nevhodne. Niektoré návrhy obsahujú spätnú väzbu s glukózovou slučkou, aby sa prepísali alebo zvýšili bunkové odozvy, miešanie bioartificiálnej koncepcie s plne elektronickým systémom.

Dlhotrvavá životnosť a návrat

V ideálnom prípade by bioartifikálny pankreas fungovať roky bez náhrady. Avšak, beta bunky majú konečný životnosť a môže podstúpiť apoptózu alebo vyčerpanie v priebehu času. Zapuzdrenie materiál môže degradovať alebo stať menej priepustný. Ak zariadenie zlyhá, musí byť znovu vyskúšateľné

Bunkové zdroje: od darcov po kmeňové bunky

Ideálny zdroj buniek pre bioartifikálny pankreas by boli bohato dostupné, bezpečné, trvanlivé, glukózy reagujúce, a schopné produkovať inzulín a iné hormóny (napr, glukagón a somatostatín) pre presné kontrolu glukózy. Kataverické ľudské ostrovčeky sú zlaté štandard, ale dodávky je veľmi obmedzený. Výskumníci sledujú niekoľko alternatív.

Beta bunky s kmeňovou bunkou

V klinickom skúšaní (bez zapuzdrenia) sa teraz skúmajú aj ľudské embryonálne kmeňové bunky (hESC) a indukované pluripotentné kmeňové bunky (iPSCs) možno odlíšiť od buniek produkujúcich inzulín. Spoločnosť ViaCyte vyvinula pankreatické progenitorové bunky z hESC, ktoré dozrievajú po implantácii do funkčných beta buniek. Ich PEC-Encap zariadenie, ktoré používa neporóznu membránu, dokončilo včasné klinické skúšky, ktoré ukazujú určitú produkciu inzulínu (detegovateľný C-peptid), ale nedostatočné na klinický prínos. Novšia verzia PEC-Direct používa poréznu membránu, ktorá umožňuje vaskularizáciu, ale vyžaduje si imunosupresiu, pretože imunitné bunky môžu mať prístup aj ku štepu.

Xenotransplantácia

Ostrovy ošípaných sú sľubnou alternatívou, pretože ošípané majú podobnú reguláciu glukózy a ich ostrovčeky môžu byť izolované vo veľkom počte. Hlavnou bariérou je hyperakútna rejekcia sprostredkovaná už existujúcimi protilátkami proti α-Gal epitopom. Geneticky modifikované ošípané, ktoré nemajú α-Gal (napr. ošípané GTKO) a expresné ľudské imunitno-protektívne proteíny môžu výrazne znížiť rejekcie. Keď sú takéto prasacie ostrovčeky zapuzdrené, preukázali dlhodobú funkciu u diabetických primátov bez ľudskej rasy , v jednej štúdii sa normoglycemia udržiavala viac ako jeden rok. Avšak obavy o prasačí endogénny retrovírus (PERVs) pretrvávajú, hoci nedávne ošípané s CRISPR-editované eliminovali PERV. Klinické skúšky s zapuzdrenými ostrovčekmi ošípaných sa uskutočnili na Novom Zélande a v Rusku so zmiešanými výsledkami.

Nesmrteľné Beta bunky Lines

Vedci vyvinuli aj nesmrteľné ľudské alebo myšie beta bunkové línie, ktoré môžu byť rozšírené donekonečna v kultúre. Myšový imunóm (MIN6) bunková línia sa často používa vo výskume, ale jeho tumorogénny potenciál je nevhodný pre klinické použitie, ak je spojený so samovražedným génom, ktorý môže byť aktivovaný, ak bunky začnú rásť nekontrolovane. Ľudské beta bunkové línie, ako je endoC-βH1, sú k dispozícii od francúzskej biotechnologickej spoločnosti; sú fyziologickejšie, ale stále vyžadujú starostlivé bezpečnostné inžinierstvo.

Klinické skúšky a pokrok v reálnom svete

V rámci prvého klinického skúšania s makrokapsulovaným zariadením ViaCyte sa dokončilo alebo prebiehalo niekoľko skúšok na ľuďoch. Výsledky ukázali, že bunky prežili mesiace a vyrobili C-peptid, ale zariadenie bez poorálnej membrány predchádzalo vaskularizácii, čo viedlo k usmrteniu buniek v dôsledku hypoxie. V rámci následného skúšania PEC-Direct (VC-02) sa používa pórovitá membrána, ktorá umožňuje rast krvných ciev, ale vyžaduje imunosupresiu. Napovzbudzujúce je, že niektorí pacienti dosiahli trvalú nezávislosť od inzulínu. Ďalšie spoločnosti, ako napríklad Beta O2 Technologies (teraz časť väčšieho konzorcia), vyvinuli zariadenie so zabudovanou kyslíkovou nádržou, ktoré zásobuje kyslík cez znovu naplniteľný port. Klinické skúšky v Európe preukázali, že existuje dôkaz o tom, že inzulín je potrebný na zníženie potreby.

Testy mikrokapsulácie boli tiež vykonané. Spoločnosť Living Cell Technologies (teraz Diatranz) testované zapuzdrené novorodeneckých ošípaných ostrovčekov u ľudských pacientov na Novom Zélande a v Rusku. Niektorí pacienti ukázali zníženie potreby inzulínu a zlepšenie glykemickej stability, aj keď dlhodobé prežitie bolo obmedzené. Nedávno, výskumníci z Inštitútu pre výskum cukrovky (Dubtices Research Institute, DRI) vyvinuli

Ďalšie informácie o konkrétnych skúškach pozri v databáze klinických skúšok [[ a v publikáciách nadácie Diabetes Research Institute Foundation.

Integrácia s technológiou

Línia medzi čisto bioartifikálnou pankreasu a hybridným uzavretým systémom je rozmazanie. Niektoré ďalšie-generačné zariadenia obsahujú kontinuálne glukóza senzory a bezdrôtové vysielače. Napríklad, ostrovček vnútri zariadenia môže byť doplnený o externý algoritmus, ktorý upravuje dodávku inzulínu na základe údajov v reálnom čase glukózy, najmä ak je bunková zložka pomaly reagovať. Takéto chromozómové pankreas kombinuje výhody biologickej produkcie inzulínu (horné a nižšie bezpečnostné hranice, výroba iných hormónov) s rýchlosťou elektroniky. Výskumníci tiež vyvíjajú aplikácie smartfónu, ktoré umožňujú pacientom a lekárom monitorovať funkciu zariadenia, úrovne kyslíka, a potrebnú údržbu (ako je opätovné naplnenie kyslíkového subsystému).

Bezdrôtové monitorovanie zatiahnutých remesiel

Jednou z výziev je, že po implantovaní nemožno priamo pozorovať životaschopnosť buniek. Niekoľko skupín vyvíja implantované senzory, ktoré merajú spotrebu kyslíka, uvoľnenie inzulínu alebo bunkový metabolizmus ako indikátor zdravia štepu. Bezdrôtové rozhranie potom môže prenášať tieto údaje na externý prijímač. To by umožnilo včasný zásah

Budúce smerovania a inovácie

3D Bioprinting a tkanivové inžinierstvo

Pomocou 3D biotlačenia môžu výskumníci vytvoriť lešenie obsahujúce beta bunky, endotelové bunky (na podporu tvorby krvných ciev), a podporovať extracelulárne matrice. Cieľom je vybudovať plne cievny organoid, ktorý môže byť implantovaný. Biotlačenie umožňuje presné umiestnenie rôznych typov buniek a vytvorenie kanálov pre prietok krvi. Zatiaľ čo ešte v predklinickom štádiu, táto technológia sľubuje prekonať difúznu limity, ktoré mor prúd zariadení.

Editácia génov pre imúnnu evasion

Kombinácia génu CRISPR-Cas9 editovanie a zapuzdrovanie ponúka silnú synergiu. Kmeňové bunky môžu byť upravené tak, aby odstránili hlavné molekuly Histokompatibility (MHC) triedy I a II. triedy a aby sa prejavili imunomodulačné faktory, ako je PD-L1. Tieto bunky chované chromozómovým spôsobom by sa mohli používať bez akéhokoľvek zapuzdrenia, hoci riziko imunitného rozpoznávania alebo útoku z buniek prírodného zabijaka (NK) zostáva. Keď sú umiestnené vo vnútri imunoprotektívneho zariadenia, takéto upravené bunky môžu prežiť ešte dlhšie.

Alternatívne miesta implantácie

Podkožný priestor je atraktívny, pretože je minimálne invazívny, ale je zle presaterializovaný. Vnútroperitoneálny priestor má lepšiu zásobu živín, ale obmedzený kyslík a potenciál pre fibrózu. Sľubnou alternatívou je omentum, vysokokaularizované tukové tkanivo, ktoré možno ľahko pristupovať laparoskopicky. Klinické skúšky pomocou omentálnej techniky vaku ukázali vynikajúce štepenie ostrovčekov. Ďalším miestom je kostná dreň dutiny, kde je imunitné prostredie tolerantnejšie. Výskumníci tiež skúmajú implantáciu pod obličkové kapsule, v pečeni, alebo dokonca v podkožnom zariadení so zabudovaným kyslíkovým generátorom.

Začlenenie buniek s Glucagon- Secreting

Cukrovka typu 1 je výsledkom deštrukcie všetkých ostrovčekových buniek, nielen beta buniek. Ideálne zariadenie by tiež obsahovalo alfa bunky na tvorbu glukagónu, čo bráni hypoglykémii. Niektoré bioartificiálne pankreasy teraz obsahujú zmes ostrovčekových buniek alebo sú navrhnuté tak, aby umožňovali kokultúru rôznych typov buniek. Predbežné štúdie na zvieratách s kombinovanými alfa/beta-bunkovými zariadeniami vykazujú lepšiu protireguláciu a menšiu hypoglykémiu.

Hospodárske a regulačné hľadiská

Prinášať bioartifikálny pankreas na trh si vyžaduje nielen vedecký úspech, ale aj priaznivé ekonomické a spôsoby výroby prostredníctvom regulačných agentúr. Náklady na výrobu zapuzdrených buniek, najmä ak sú odvodené z pluripotentných kmeňových buniek, je v súčasnosti veľmi vysoká

Pozri prílohu I k nariadeniu (ES) č. 1907/2006.

Záver

Bioartifikálne pankreatické pomôcky predstavujú skutočný paradigmatický posun v liečbe cukrovky 1. typu. Zjednocovaním fyziologickej inteligencie živých buniek a ich ochranou pred imunitným systémom s inžinierskymi materiálmi majú tieto pomôcky potenciál poskytnúť trvalú, bez inzulínovej existencie pre milióny pacientov. Výhody nad tradičným transplantáciou celého orgánu alebo ostrovčeka

Súčasné klinické skúšky vytvárajú kritické údaje a inovácie v diferenciácii kmeňových buniek, editácii génov, biomateriáloch a inžinierstve zariadení urýchľujú pokrok. Pri trvalých investíciách z verejného aj súkromného sektora by sa v nasledujúcom desaťročí mohla stať dostupná klinicky schválená bioartifikálna pankreasová choroba. Pre globálnu diabetiká by to predstavovalo nielen postupné zlepšenie, ale aj transformačný skok

Ak chcete zostať informovaní o najnovšom vývoji, webová stránka [[JDRF (Juvenile Diabetes Research Foundation) ponúka komplexný prehľad o výskume umelej pankreasu vrátane mechanických aj bioumelých platforiem.