Table of Contents

Razumevanje transplantacije otočnih celic za sladkorno bolezen tipa 1

Sladkorna bolezen tipa 1 je kronična avtoimunska bolezen, za katero je značilno uničenje celic beta, ki proizvajajo insulin, v trebušni slinavki, kar vodi do pomanjkanja insulina in kronične hiperglikemije. Glavne trenutne terapevtske strategije za klinično opazne sladkorne bolezni tipa 1 – predvsem eksogeni insulin v kombinaciji s spremljanjem glukoze v krvi – niso popolnoma posnemale fiziološke regulacije insulina, kar pogosto vodi v suboptimalen ali nezadosten glikemični nadzor. Za milijone bolnikov po vsem svetu upravljanje tega stanja zahteva stalno budnost, več dnevnih injekcij insulina in skrbno spremljanje ravni krvnega sladkorja za preprečevanje nevarnih zapletov.

Transplantacija otočnih celic se je pojavila kot obetavna možnost za funkcionalno zamenjavo endogenega nastajanja insulina in doseganje dolgoročne glikemične stabilnosti. Pri presaditvi otočkov se otočki (ki vsebujejo β celice in druge vrste celic) izolirajo iz donorskih kadaverskih pankreas in presadijo na ljudi s sladkorno boleznijo tipa 1. Presadljeni otočki nato začnejo proizvajati insulin kot odziv na ravni glukoze v krvi. Ta pristop predstavlja pomemben napredek pri tradicionalni terapiji z insulinom, ki omogoča, da bolniki dosežejo skoraj normalen nadzor nad krvnim sladkorjem brez potrebe po stalnem injekciji insulina.

Transplantacija otoka je bila nedavno odobrena s strani Uprave ZDA za hrano in zdravila za odrasle s sladkorno boleznijo tipa 1, ki je zapletena zaradi ponavljajočih se hudih dogodkov hipoglikemije. Poginule darovalske presaditve otočkov je nedavno odobrila ameriška uprava za hrano in zdravila kot prvo celično zdravljenje (Lantidra; CellTrans, Inc.) za odrasle s sladkorno boleznijo tipa 1, ki se zaradi ponavljajočih se hudih dogodkov hipoglikemije kljub intenzivnemu zdravljenju sladkorne bolezni in izobraževanju ne morejo približati ciljnim otočkom HbA1c. Ta prelomna odobritev predstavlja desetletja raziskav in kliničnega razvoja na področju zdravljenja sladkorne bolezni na podlagi celic.

Dolgoročno spremljanje multicentričnega preskušanja transplantacije v klinični konzorciju Islet Consortium 3. faze z otočjem, v katerem je sodelovalo 48 posameznikov iz te populacije, je pokazalo preživetje presadka otočkov pri 84 % prejemnikov, pri čemer je HbA1c ohranil manj kot 7,0 % pri 77 % in pri 6,5 % ali manj pri 74 %, odsotnost hudih dogodkov hipoglikemije pri več kot 90 % in približno 50 % pri medianem spremljanju 6 let. Ti impresivni rezultati kažejo transformativni potencial presaditve iztokov pri skrbno izbranih bolnikih s težko upravljano sladkorno boleznijo.

Kritični izziv: zavrnitev imunskega sistema

Kljub izjemnemu uspehu presaditve otočkov, ena od najpomembnejših ovir za široko posvojitev ostaja imunski odziv telesa na presajene celice. Ker se takšne presaditve pojavijo v alogenskem okolju, prejemniki zahtevajo imunosupresivno terapijo. To kronično in sistemsko adjuvantno zdravljenje lahko privede do toksičnosti, poveča tveganje za okužbo in razvoj tumorja, in na koncu zmanjšanje kakovosti življenja za bolnike.

Zdravila, potrebna za zatiranje imunske zavrnitve otočkov je treba nadaljevati za življenje presaditve, in prihajajo z znatnimi tveganji. Njihova uporaba povečuje občutljivost za bakterijske in virusne okužbe; lahko povzroči utrujenost, zmanjšano delovanje ledvic, ustne rane, in prebavne težave; in lahko poveča dolgoročno tveganje za razvoj nekaterih raka. Ti imunosupresivi so tudi mislili, da vpliva na dolgoročno vitalnost presajenih otočkov, kot študije kažejo, da so strupeni za otočke skozi čas.

Delovanje ledvic je v kohorti presaditve otočkov v primerjavi s standardno oskrbo bolj upadlo, kar je verjetno posledica trenutne potrebe po imunosupresiji na osnovi zaviralcev kalcinevrina za zaščito presadka pred aloimunsko zavrnitvijo in avtoimunsko ponovitvijo. Ta ugotovitev poudarja nujno potrebo po alternativnih pristopih, ki lahko zaščitijo presajene otočke, ne da bi pri tem potrebovali doživljenjsko sistemsko imunosupresijo.

Potreba po sistemski imunosupresiji ostaja primarna ovira za presaditev otočkov bolj razširjena terapija za bolnike s sladkorno boleznijo tipa 1. Tako je pomemben prihodnji raziskovalni cilj doseganje "imunološke tolerance" za presaditvene celice, kar pomeni, da bi bila imunosupresivna zdravila potrebna le za kratek čas ali sploh ne. Tu tehnologije enkapsulacije vstopijo v sliko kot potencialno spreminjajoče se rešitve.

Kaj so tehnologije za inkapsulacijo?

Enkapsulacija je tehnologija za zapiranje živih celic s polprepustno membrano. Celična mikroinkapsulacijsko tehnologija vključuje imobilizacijo celic znotraj polimerne polprepustne membrane. Omogoča dvosmerno difuzijo molekul, kot so dotok kisika, hranila, rastni faktorji, ki so nujni za presnovo celic in zunanjo difuzijo odpadnih izdelkov in terapevtskih beljakovin. Hkrati pa polprepustna narava membrane preprečuje, da bi imunske celice in protitelesa uničila inkapsulirane celice, kar zadeva tuje napadalce.

V eni strategiji, imenovani enkapsulacija, so otočki (vključno s tistimi, ki jih dajejo darovalci, ter matičnim celicam podobni otočki in organoidi, ki rastejo v laboratoriju) prekriti z materialom, ki jih ščiti pred napadom imunskega sistema prejemnika in spodbuja njihovo zdravo delovanje. Temeljno načelo za inkapsulacijo je elegantno v svoji preprostosti: ustvariti zaščitno pregrado, ki omogoča, da esencialne hranilne snovi in kisik dosežejo presajene celice, hkrati pa preprečuje, da bi jih napadele imunske celice.

Bioartificial pankreas je opredeljen kot pankreatični otoček konstrukt, ki temelji na enkapsulaciji otočnih celic znotraj polpermeable membrane, tako da se celice lahko zaščitijo pred imunskim sistemom gostitelja, medtem ko izločajo insulin za uravnavanje krvnega sladkorja. Ta koncept predstavlja prefinjen bioinženirski pristop, ki si prizadeva za repliciranje naravne funkcije trebušne slinavke, hkrati pa ščiti presajene celice pred imunskim uničenjem.

Zgodovina tehnologije enkapsulacije sega v več desetletij. Leta 1964 je zamisel o inkapsulaciji celic znotraj ultra tankih polimernih membranskih mikrokapsul, da bi zagotovili imunozaščito celic, predlagal Thomas Chang, ki je uvedel izraz "umetne celice", da bi opredelili ta koncept bioinkapsulacije. Sistem sta še dodatno razvila Lim in Sun, ki sta pionirala mikrokapsulacijo otočkov, s čimer sta ustvarila prvo bioartificialno endokrino slinavko. Od teh pionirskih prizadevanj se je polje dramatično razvilo z napredkom v znanosti materialov, nanotehnologiji in bioinženiringu.

Vrste metod inkapsulacije

V veliki meri sta bila proučena dva glavna pristopa enkapsulacije: mikroinkapsulacija in nanoinkapsulacija. Vsak pristop ponuja različne prednosti in se sooča z edinstvenimi izzivi pri zaščiti presajenih otočnih celic pred imunsko zavrnitvijo, hkrati pa ohranja njihovo sposobnost preživetja in delovanja. Razumevanje teh različnih metod je ključno za razumevanje kompleksnosti in potenciala tehnologije inkapsulacije pri zdravljenju sladkorne bolezni.

Mikroinkapsulacija

Mikroinkapsulacija se nanaša na sferični sistem velikosti od približno desetine mikronov do 1,5 mm. Ta pristop vključuje premazovanje posameznih otočnih celic ali majhnih grozdov otočkov s tanko plastjo biozdružljivega materiala, ki običajno ustvarja sferične kapsule, ki jih je mogoče vgraditi v bolnikovo telo. Najpogosteje uporabljen material za mikroinkapsulacijo je alginat, naravno pridobljen polisaharid, pridobljen iz rjave morske trave.

Razvili so mikrokapsule z alginatno-polilizatno (APA) in s tem imobilizirajoče ksenograftske otočne celice. Študija je pokazala, da so celice, ko so bile te mikroinkapsulirane otočke vgnetene v diabetične podgane, ostale vitalne in nadzorovane ravni glukoze še nekaj tednov. Ta zgodnji uspeh na živalskih modelih je pokazal izvedljivost pristopa mikroinkapsulacije in sprožil desetletja kasnejših raziskav.

Alginatna mikroinkapsulacija ima več prednosti. Material je biokompatibilen, relativno poceni in se lahko obdela v blagih pogojih, ki ne škodujejo celicam inkapsulacije. Postopek gelacije se hitro pojavi, ko raztopina alginata pride v stik s kalcijevimi ioni, kar omogoča učinkovito enkapsulacijo velikega števila otočkov. Vendar pa so se alginat mikrokapsule soočali tudi z velikimi izzivi, zlasti glede odziva tujega telesa in fibrotične prekomerne rasti, ki se lahko pojavi po implantaciji.

Mikrosfere za enkapsulacijo otočkov so omogočile dolgotrajen glikemični nadzor pri modelih sladkorne bolezni pri glodalcih; vendar pa so ljudje, presajeni z enakovrednimi formulacijami mikrosfer, doživeli le prehodno funkcijo presadka otočkov zaradi intenzivnega odziva tujega telesa, perikapsularne fibrotične prekomerne rasti in pri pokončnih dvonožnih vrstah sedimentacije mikrosfer znotraj peritonealne votline. Ta prekinitev med uspehom pri glodalcih in izzivi pri uporabi pri ljudeh je bila ena od glavnih ovir pri prevajanju tehnologije mikrokapsulacije v klinično prakso.

Za reševanje teh izzivov so raziskovalci razvili kemično modificirane formulacije alginata. V povezavi z minimalno invazivno tehniko presaditve v bursa omentalis nečloveških primatov, najbolj obetaven kemično modificiran derivat alginata (Z1-Y15), ki je 4 mesece zaščiten in se odziva na glukozo, brez potrebe po imunosupresiji. Nedavna študija, ki uporablja triazolov modificirani alginat hidrogel, kaže, da preprečuje prekomerno fibrozo, ki je pogosta pri večjih živalskih modelih (primati, ki niso človek) in je lahko koristna pri podaljšanju enkapsuliranega otočnega presadka.

Mikroinkapsulacija zahteva bolj zapletene in individualizirane postopke izdelave, v nasprotju z makroinkapsulacijskimi napravami, ki so lahko enostavnejše za izdelavo, so lažje dosegljive po implantaciji in so ugodnejše za komercializacijo. Kljub tem proizvodnim izzivom ostaja mikroinkapsulacija aktivno področje raziskav zaradi svoje možnosti za zagotavljanje imunozaščite brez potrebe po velikih vsadljivih pripomočkih.

Makroenkapsulacija

Makroinkapsulacija ima drugačen pristop, saj v večji napravi ali kapsuli vgradi veliko otočkov. Te naprave so običajno sestavljene iz komore ali vrečke, ki vsebuje več otočkov, obdane s polprepustno membrano. Naprave za makroinkapsulacijo ponujajo več možnih prednosti, vključno z lažjim priklicem, če pride do zapletov, bolj preprostih proizvodnih procesov in sposobnostjo, da vključijo dodatne lastnosti, kot so kisik generatorji ali vaskularizacije spodbuja strukture.

Naprava Theracyte je imunoizolacijska in sestavljena iz dvomembranske vrečke. Zunanja membrana ima 5 μm pore za podporo infiltracije celic in za spodbujanje angiogeneze po vsej napravi. Notranja membrana ima premer pore 0,4 μm za imunoizolacijo otočkov, ki mejijo na vaskulaturo. Ta dvomembranska zasnova predstavlja inovativen pristop k uravnoteženju konkurenčnih potreb po imunski zaščiti in ustrezni vaskularizaciji.

ViaCyte je od takrat razvil sistem, znan kot Encaptra, ki ima eno samo membrano, ki imunoizolira za zaščito presajenih celic pred neposredno interakcijo z imunskimi celicami, hkrati pa omogoča prehod kisika in hranil. Enkapsulirane celice izvornih celic beta imajo nadzor nad glukozo pri bolnikih s sladkorno boleznijo tipa 1. Ti klinični razvoj kaže, da naprave za makroinkapsulacijo napredujejo od laboratorijskih raziskav do aplikacij v realnem svetu.

Med več napravami, ki so bile razvite, so TheracyteTM iz TheraCyte Inc., βAir iz BetaO2 Technologies, Cell Pouch System iz Sernove in PEC-Encap (VC-01) in PEC-direct (VC-02) iz ViaCyte (zdaj ga je pridobila družba Vertex Pharmaceuticals). Vsaka od teh naprav predstavlja edinstven pristop k reševanju izzivov inkapsulacije otočkov, z različnimi zasnovami, materiali in mesti implantacije.

Še ena naprava za makroinkapsulacijo, ki uporablja tehnologijo mikrofabrikacije, se imenuje Nanoglad. Sestavljena je iz zunanje membrane z vzporednimi nanokanali (3.6–40 nm) in pravokotnih mikrokanalov (20–60-mikronov) okoliških otočkov. Nanokanali so namenjeni za zagotavljanje imuno-zaščite, mikrokanali pa naj bi pomagali pri vgrajevanju. Subkutano implantacijo Nanoglanda s človeškimi otočki pri miših so pokazali preživetje vsadkov za več kot 120 dni.

Eden od ključnih izzivov za naprave za makroinkapsulacijo je zagotavljanje zadostne oskrbe z kisikom za inkapsulirane otočke. Anderson in njegovi sodelavci so poročali o otočku-enkapsulacijski napravi, ki nosi tudi generator kisika na krovu. Ta generator je sestavljen iz membrane protonske izmenjave, ki lahko razdeli vodno paro (ki jo najdemo v telesu) v vodik in kisik. Vodik se neškodljivo razprši, medtem ko kisik prehaja v prostor za shranjevanje, ki hrani celice iztoka skozi tanko, kisikovo protein-prepustno membrano. Pokazali so, da lahko te inkapsulirane pankreatične otočne celice preživijo v telesu vsaj 90 dni. Pri miših, ki so prejele implantate, so celice ostale funkcionalne in so imele dovolj insulina za nadzor ravni sladkorja v krvi živali.

Vendar pa niso bili uspešni vsi pristopi makroinkapsulacije. VX-264, preiskovano zdravljenje otočkov celic, inkapsulirano v lastniškem makroinkapsulacijskem pripomočku, ki ga je razvil Vertex, zaključeno Faza 1/2 odmerjanja. Vendar pa analiza ni izpolnila svojega cilja učinkovitosti, kar je povzročilo zaključek kliničnega preskušanja. Ta neuspeh poudarja trenutne izzive pri razvoju učinkovitih sistemov makroinkapsulacije in potrebo po nadaljnjih raziskavah in izpopolnjevanju.

Nanoenkapsulacija

Nanoenkapsulacija se nasprotno nanaša na nanometrske prevleke ali plasti, ki se neposredno nalagajo na površino otočka. Za razliko od drugih metod enkapsulacije, ki imobilizirajo celice ali snovi, ki jih je treba inkapsulirati v mikron-veliko gelsko matrico, metode nanoenkapsulacije običajno temeljijo na nanoelektrarne okrog celic ali organov. Nanoenkapsulacija je tehnologija za enkapsuliranje otočkov z konformnim premazom, ki se večinoma opira na uporabo metode šobe. V primerjavi s konvencionalnimi mikrokapsuli konformacijski premaz omogoča nastanek tankih filov, ki pokrivajo vsak posamezen otoček.

Tako velikost materialov, ki nastanejo, kot tudi debelina filma se prilagajata velikosti in morfologiji posameznih otočkov. Ta tehnologija povzroča nastanek nanokapsul, za katere debelina zaščitne membrane daje prednost dvosmerni difuziji kisika, hranil in metabolitov. ultra-tanka narava nanoinkapsulacijskih premazov ponuja pomembne prednosti v smislu hranil in difuzije kisika v primerjavi z debelejšimi mikrokapsulacijskimi plastmi.

Nanoencapsulacija predstavlja vrhunski inkapsulacijski sistem, ki spodbuja napredek na področju nanotehnologije in znanosti o materialih, da bi ustvarili zaščitne ovire, ki so debele samo nanometrov. Ta pristop zmanjšuje difuzijo kisika in hranil, hkrati pa zagotavlja učinkovito imunsko zaščito. Tehnika konformnega premaza zagotavlja, da je vsak otoček posebej zaščiten s premazom, ki natančno ustreza njegovi obliki in velikosti.

Raziskane so bile različne materiale in metode za nanoenkapsulacijo, vključno s plastjo za plastjo, polielektroliti, kemičnim nanašanjem hlapov in polimerizacijo plazme. Vsaka metoda ponuja različne prednosti v smislu enotnosti premaza, nadzora debeline in biokompatibilnosti. Cilj je ustvariti premaz, ki je dovolj tanek, da omogoča hitro difuzijo kisika in hranil, vendar dovolj robusten, da zagotavlja učinkovito zaščito pred imunami v daljšem časovnem obdobju.

Biomateriali, ki se uporabljajo pri enkapsulaciji

Izbira biomateriala je ključnega pomena za uspeh vsake strategije enkapsulacije. Idealni inkapsulacijski material mora izpolnjevati več zahtevnih zahtev: biti mora biokompatibilen, mehansko stabilen, prepusten za kisik in hranila, neprepusten za imunske celice in protitelesa ter odporen proti razgradnji v telesnem okolju. Raziskovalci so v iskanju optimalnega biomateriala enkapsulacije raziskali širok spekter naravnih in sintetičnih materialov.

Alginati in modificirani alginati

Alginat ostaja najbolj razširjeno preučen material za enkapsulacijo otočkov zaradi svoje biokompatibilnosti, enostavnosti obdelave in sposobnosti oblikovanja gelov v blagih pogojih. Vendar pa so standardne formulacije alginata pokazale omejitve pri kliničnih aplikacijah, zlasti v zvezi z odzivi tujega telesa in fibrotično prekomerno rastjo. To je privedlo do obsežnih raziskav kemično modificiranih formulacij alginata, ki so namenjene zmanjšanju teh neželenih učinkov.

Tri kemično modificirane, imunomodulirajoče formulacije alginata so sprožile zmanjšan odziv tujega telesa. Kemična modifikacija Z1-Y15 posebej modulira aktivacijo makrofaga v smeri proti toku, kar pa znatno zmanjša najemanje miofibroblastov: najbolj prispevajo k fibrozi v spodnjem delu verige. Te spremenjene oblike alginata predstavljajo pomemben napredek pri reševanju enega od glavnih izzivov tehnologije enkapsulacije.

Razvoj triazolov modificiranega alginata in drugih kemično spremenjenih formulacij kaže na pomen razumevanja molekularnih interakcij med biomateriali in imunskim sistemom. S skrbnim inženirstvom kemijskih lastnosti alginata lahko raziskovalci modulirajo odziv gostitelja in zmanjšajo fibotične reakcije, ki so pestile prejšnje poskuse enkapsulacije.

Materiali, na podlagi svile

Zdravljene beljakovine svile imajo nizko antigeniteto in redko povzročijo imunske reakcije, ko so bile in vivo vgnezdene. Učinkovitost otočkov, ki so bili inkapsulirani v svilenih materialih, je bila bistveno povečana s soenkapsulacijo s fibroinom, beljakovino, ki je imela močne mehanske lastnosti in nizko imunogenost. Soenkapsulacija z mesenhimskimi stromalnimi celicami je povzročila 2,3-kratno povečanje stimulacijskih indeksov in dodatno sokapsulacijo fibroina je povzročila 4,4-kratno izboljšanje, v primerjavi s čistimi otočki, ki so bili enkapsulirani v svilo.

Materiali na osnovi svile nudijo edinstvene prednosti, vključno z odličnimi mehanskimi lastnostmi, stopnjo degradacije, ki jo je mogoče nadzorovati, in sposobnostjo obdelave v različne oblike, vključno s filmi, hidrogeli in poroznimi odri. Naravni izvor beljakovin svile in njihova dolga zgodovina uporabe v medicini zagotavljata dodatno zaupanje v njihov biokompatibilnost in varnostni profil.

Sintetični polimeri

Raziskovalci so z uporabo visoko porozne in trpežne nanovlaknene kože, izdelane z elektrospiniranjem biokompatibilne medicinske inteligentne termoplastne silikonske-polikarbonatne-uretanske (TSPU) in alginat hidrogelne jedra, razvili napravo za implantacijo nanofiber-integrirane celične enkapsulacije (NICE), ki omogoča večjo biokompatibilnost, varnost in razširljivost za proizvodnjo v velikem obsegu, s čimer so zagotovili varno dovajanje in zaščito otočkov, pridobljenih iz ksenogene matične celice. Da bi dodatno izboljšali biokompatibilnost naprave za enkapsulacijo pri velikih živalih, so raziskovalci poročali o nanoporozni inkapsulacijski napravi za uporabo elektrospinning tehnike.

Sintetični polimeri nudijo prednost natančnega nadzora nad lastnostmi materiala, vključno z mehansko trdnostjo, prepustnostjo in stopnjo razgradnje. Napredne proizvodne tehnike, kot so elektrospiniranje, omogočajo ustvarjanje nanovlaknenih struktur z visoko površino in nadzorovanimi velikostmi por, kar optimizira ravnovesje med imunsko zaščito in transportom hranil.

Prednosti tehnologij za inkapsulacijo

Tehnologije enkapsulacije ponujajo številne prepričljive prednosti, zaradi katerih so privlačne za izboljšanje rezultatov presaditve otočkov. Te koristi obravnavajo številne ključne omejitve, ki so preprečile, da bi presaditev otočkov postala široko dostopna možnost zdravljenja za sladkorno bolezen tipa 1.

Izločanje kronične imunosupresije

Otočki, opremljeni z ustrezno pregrado za gostitelje imunskih celic in protiteles, bi pospešili presaditev otočkov brez uporabe toksičnih imunosupresivnih zdravil za preprečevanje zavrnitve presadka, hkrati pa bi odpravili pomanjkanje otočkov.

Sposobnost zaščite presajenih otočkov brez potrebe po vseživljenjskih imunosupresivnih zdravilih predstavlja morda najznačilnejšo prednost tehnologije enkapsulacije. Celična inkapsulacija bi lahko zmanjšala potrebo po dolgotrajni uporabi imunosupresivnih zdravil po presaditvi organa za nadzor stranskih učinkov. To bi dramatično povečalo skupino bolnikov, ki bi lahko imeli koristi od presaditve otočkov, saj mnogi bolniki trenutno ne morejo prenašati ali nočejo sprejeti tveganj, povezanih s kronično imunosupresijo.

Z odpravo potrebe po imunosupresivnih zdravilih bi lahko tehnologija inkapsulacije naredila presaditev otočkov primerno za veliko širšo populacijo bolnikov s sladkorno boleznijo tipa 1, ne le tistih z najhujšo in najtežjo boleznijo, ki jo je treba obvladati. To bi lahko presaditev otočkov spremenilo iz zadnjega zdravljenja za majhno podskupino bolnikov v izvedljivo možnost za številne več posameznikov, ki se borijo z upravljanjem sladkorne bolezni.

Razširjeno preživetje in funkcija otoka

Kombinacija načel oblikovanja spodbuja otočkov vitalnost v času trajanja študije (4 mesece) po presaditvi v primate, ki niso človeka, brez uporabe imunosupresije. Otočje xenograft preživetje, hitro znižanje glukoze v krvi in dolgotrajen glikemični nadzor več kot 200 dni je bilo doseženo brez imunosupresivnih zdravil. Ti rezultati kažejo, da lahko pravilno oblikovani sistemi enkapsulacije podpirajo dolgotrajno preživetje in delovanje otočkov brez potrebe po imunosupresivnih zdravilih.

Zaščitno okolje, ki ga ustvarja enkapsulacija, lahko potencialno podaljša funkcionalno življenjsko dobo presajenih otočkov, ki presega tisto, kar je mogoče doseči samo z imunosupresijo. Z zaščito otočkov pred imunskim napadom in zagotavljanjem stabilnega mikrookolja lahko enkapsulacija pomaga ohraniti delovanje otočja v daljšem časovnem obdobju, z zmanjšanjem ali odpravo potrebe po ponavljajočih se presaditvah.

Omogočanje uporabe alternativnih virov celic

Uporaba mikroinkapsulacije bi zaščitila otočne celice pred imunsko zavrnitvijo in omogočila uporabo živalskih celic ali gensko spremenjenih celic za proizvodnjo insulina. Enkapsulacijo so testirali na vseh primarnih človeških otočkih, otočkih prašičev in otočkih, pridobljenih iz matičnih celic, in je izvedljivo, da se takšne platforme razvijejo za različne vrste celic in uporabo bolezni.

Ena od najbolj zanimivih prednosti tehnologije enkapsulacije je njen potencial, da omogoči uporabo alternativnih celičnih virov izven človeških kadavrskih otočkov. Pomanjkanje darovalcev organov pomeni pomembno omejitev teh postopkov. Zaradi trenutnih omejitev, in ker so potrebni izvalitelji trupel v pomanjkanju, je presaditev otočkov primerna le za majhno podskupino ljudi s sladkorno boleznijo tipa 1.

V eni študiji so novorojene prašičje otočke vgradili v stabilen in prepusten gel alginata, ki je zaprt v biokompatibilno, imunoprotektivno membrano in presadjen v trebušni votlini imunokompetentnih diabetičnih miši.

Poleg tega bi lahko tehnologija enkapsulacije olajšala uporabo otočkov, pridobljenih iz matičnih celic, ki predstavljajo še en potencialno neomejen vir celic za proizvodnjo insulina. Raziskave v zvezi z zamenjavo celic beta se osredotočajo na razvoj škalabilnih rešitev, kot so otočki, pridobljeni iz matičnih celic, v kombinaciji z lokalizirano imunosupresijo. Predhodni rezultati kliničnih preskušanj v teku kažejo, da lahko presaditev celic β-celic, pridobljenih iz matičnih celic, pri imunosupresiranih prejemnikih z diabetesom tipa 1 dosledno obnovi neodvisnost insupresivnega insulina, kar nakazuje na velik napredek pri ustvarjanju neomejene in enotne zaloge celic za presaditev.

Dobavljivost in varnost

Naprave za makroinkapsulacijo ponujajo dodatno prednost, da se lahko v primeru zapletov ponovno pojavijo. Za razliko od razpršenih mikroinkapsuliranih otočkov ali neposredno presajenih otočkov, se lahko makroinkapsulacijski pripomočki po potrebi kirurško odstranijo. Ta možnost omogoča pomembno varnostno lastnost, ki omogoča poseg, če pripomoček ne uspe ali povzroči škodljive učinke. Naprave so bile dokazano, da ohranijo svojo integriteto po tem, ko so bile pridobljene in ponovno presaditve v novih imunokompetentnih diabetičnih miših.

Klinični napredek in nedavni razvoj

Na področju inkapsulirane presaditve otočkov je bil v zadnjih letih dosežen izjemen napredek, saj je bilo v kliničnih preskušanjih več pristopov, ki so se približali obetavnim rezultatom. Ti dosežki kažejo, da se tehnologija inkapsulacije premika od laboratorijskih raziskav k kliničnim aplikacijam v realnem svetu.

Otočki, ki so se zlivali s stemskimi celicami v kliničnih preskušanjih

Z uporabo zrelejših celic β, pridobljenih iz matičnih celic, je družba Vertex leta 2021 začela z 1/2 kliničnim preskušanjem (VX-880) v fazi 1/2, pri čemer so celice presadili intraportalno v jetra pod imunosupresijo s polnim odmerkom. Do junija 2024 so odmerjali 12 bolnikov; 11 od 12 bolnikov je imelo izrazito zmanjšanje ali popolno neodvisnost od insulina, vsi pa so imeli HbA1c manj kot 7,0 % in odstotek časa, preživetega z glukozo v ciljnem območju, ki je bil večji od 70 % pri stalnem spremljanju glukoze. Trije bolniki, ki so več kot eno leto spremljali, so dosegli primarni cilj odprave hude hipoglikemične epizode z HbA1c manj kot 7,0 % in sekundarni cilj za določitev neodvisnosti od insulina.

Ti impresivni rezultati z VX-880 kažejo potencial izvornih celic, da obnovijo neodvisnost inzulina in dosežejo odlično glikemično kontrolo. Vendar pa je pomembno, da se upošteva, da so ti poskusi še vedno zahtevajo imunosupresijo. Naslednja meja združuje izvornih celic otočkov s tehnologijo enkapsulacije za odpravo potrebe po imunosupresivnih zdravil.

Avtologna transplantacija s stemsko celično derivacijo

V kliničnem preskušanju prve faze I so ocenili izvedljivost avtologne transplantacije kemijsko induciranih pluripotentnih otočkov iz matičnih celic (CiPSC) pod trebušno ovojnico sprednjega rektusa za zdravljenje sladkorne bolezni tipa 1. Bolnik je dosegel trajno neodvisnost od insulina, ki se je začela 75 dni po presaditvi. Čas v ciljnem območju se je povečal od izhodiščne vrednosti 43,18 % do 96,21 % do 4. meseca po presaditvi, ki ga je spremljalo zmanjšanje glikiranega hemoglobina, ki je kazalnik dolgoročne sistemske ravni glukoze na nediabetičnem nivoju.

Nato je bolnik predstavil stanje stabilne glikemične kontrole, pri čemer je čas v ciljnem glikemičnem območju nad 98%, glikirani hemoglobin pa okoli 5%. Ta izjemen rezultat kaže na možnost avtolognih otočkov, pridobljenih iz matičnih celic, za obnovitev normalne urejenosti glukoze. Medtem ko je to preskušanje še vedno uporabljalo imunosupresijo, je uporaba avtolognih celic (izpeljanih iz bolnikovih lastnih tkiv) pomemben korak k zmanjšanju imunske zavrnitve.

Preskušanja z enkapsuliranim celičnim zdravljenjem

Leta 2017 je ViaCyte izvedel fazo 1/2 kliničnega preskušanja (VC-02), v katerem je bil uporabljen sistem PEC-Encap, ki je inkapsuliral pluripotentne matične celice, pridobljene iz endodermov trebušne slinavke. Zgodnji rezultati tega preskušanja so pokazali, da bi lahko inkapsulirane celice preživele in proizvedle C-peptid (znak proizvodnje insulina), vendar je preskušanje razkrilo tudi izzive, povezane s vaskularizacijo in fibrotičnimi odzivi, ki so omejili učinkovitost pristopa.

CRISPR Terapevtske terapije (prej v povezavi z ViaCyte) izvajajo prve klinične študije v humani fazi I. faze z preiskovanimi, alogenskimi, gensko urejenimi, hipoimunskimi celicami pankreatičnega endoderma za sladkorno bolezen tipa 1. Celice so tudi inkapsulirane v pripomoček, ki se implantira pri bolnikih brez imunosupresivne terapije. Ta pristop združuje več najsodobnejših tehnologij – urejanje gena, diferenciacijo matičnih celic in in inkapsulacijo – da bi ustvarili celovito rešitev za izzive presaditve otočkov.

Razširitev transplantacije otokov, ki jih odobri FDA

25. novembra 2024 je Univerza Illinois Health v Chicagu začela zdravljenje LANTIDRA v partnerstvu s CellTrans. CellTrans je v letu 2024 sodeloval v obsežnih razpravah z regionalnimi in nacionalnimi programi za presaditev otočkov, katerih cilj je bil začetek multicentrične izvedbe do leta 2025. LANTIDRA je bila zajeta z večino zasebnih zavarovalnic v ZDA za bolnike s krhko sladkorno boleznijo tipa 1. Poleg tega je FDA pred kratkim odobrila LANTIDRA ladijske protokole za rok trajanja LANTIDRA do 48 ur, kar omogoča širšo distribucijo.

Medtem ko zdravilo LANTIDRA predstavlja neinkapsulirano presaditev otočkov, ki zahteva imunosupresijo, njegovo odobritev in vse večjo razpoložljivost ustvarjata pomembno infrastrukturo in klinične izkušnje, ki bodo podpirale morebitno prevajanje enkapsuliranih zdravil za otočje v splošno klinično uporabo.

Izzivi, ki se soočajo s tehnologijami za zajemanje

Kljub pomembni obljubi tehnologij inkapsulacije je treba premagati več pomembnih izzivov, preden lahko ti pristopi dosežejo široko klinično uspešnost. Razumevanje teh izzivov je bistveno za razumevanje zapletenosti razvoja učinkovitih sistemov in dela, ki ga je treba še opraviti.

Odziv tujega telesa in fibroza

Glavne omejitve za veliko klinično uporabo vključujejo veliko variabilnost biomaterialov, z nezadostno biokompatibilnostjo, ki vodi do določene stopnje reakcije tujega telesa in progresivnih fibrotičnih reakcij. Transplantacija kapsul vodi do odziva gostitelja, ki bo odvisen od več dejavnikov (na primer celic, materialov, mesta presaditve in tako naprej). Kmalu po presaditvi v tkiva, odziv gostitelja na presaditev in material lahko sestavljajo vnetni odziv z bližnjimi krvnimi žilami. Sčasoma bi vnetni odziv idealno rešil brez fibroze in bi omogočal vaskularno rast, ki bi bila blizu kapsule za izmenjavo hranil in hormonov. Vendar pa lahko livni antigeni, ki se sprostijo iz otočja, prispevajo k novačenju in aktivaciji imunskih celic.

Odziv tujega telesa predstavlja eno od najpomembnejših ovir za uspešno inkapsulacijo. Ko telo prepozna vsadeno snov kot tuj, sproži vnetno kaskado, ki lahko vodi do nastanka goste fibrotične kapsule okoli vsadka ali mikrokapsule. To fibrotično tkivo deluje kot pregrada, ki omejuje difuzijo kisika in hranil do inkapsuliranih otočkov, kar lahko privede do motenj v otočju in smrti.

Za aktivirane makrofage je znano, da za nastanek miofibroblastov, ki v povezavi z makrofagi odlagajo zunajcelične matrične beljakovine (kolagen I/III, laminin, fibrinogen), uporabljajo makrofage, ki oblikujejo matrico, ki omejuje hranila. Razumevanje celičnih in molekularnih mehanizmov, ki so osnova odziva tujega telesa, je bilo ključno za razvoj strategij za ublažitev te reakcije.

Vitalnost inkapsuliranih otočkov v večjih živalskih modelih (primati, prašiči, psi) je v primerjavi z glodavci bolj zahtevna zaradi močnega imunskega odziva, ki povzroča večjo fibrozo inkapsulacijskih naprav, ki ovirajo izmenjavo hranil. To dodatno poudarja odklop med primati, ki niso ljudje, in najbolj napovedujoč mišji model za preskušanje tehnologij inkapsulacije otočnih celic. Ta vrsta-specifična razlika v odzivih tujega telesa je bila velik izziv pri prevajanju obetavnih rezultatov študij glodavcev na ljudi.

Omejitve difuzije s kisikom in hranili

Hipoksija aktivira signal apoptoze v celicah beta, kar povzroči zmanjšanje viabilnosti otočkov. Poleg tega je učinkovita difuzijska razdalja otočja do najbližje krvne žile 150–200 μm, vendar je premer makrokapsula večji od 1000 μm; to povzroči tudi časovni zamik v odzivnem času insulina do sprememb glukoze v krvi gostitelja.

Zagotavljanje zadostne oskrbe z otočki z inkapsuliranim kisikom predstavlja kritičen izziv. Otočki so zelo presnovno aktivna tkiva, ki za pravilno delovanje potrebujejo znaten kisik. V domači trebušni slinavki so otočki bogato vaskularizirani, s krvnimi žilami v neposredni bližini vsake celice otočkov. Vendar pa enkapsulacija ustvarja fizično oviro med otočki in oskrbo gostiteljeve krvi, kar povečuje difuzijsko razdaljo za kisik in potencialno ustvarja hipoksične pogoje v kapsuli.

Omejitev difuzije kisika je še posebej problematična za naprave za makroenkapsulacijo, ki vsebujejo veliko število otočkov znotraj ene komore. Otočki v središču naprave so lahko daleč od najbližjih krvnih žil, kar vodi do nagibov kisika v napravi. To lahko povzroči nekrozo centralnega območja, kjer otočki v sredini naprave umrejo zaradi nezadostnega kisika, medtem ko tisti, ki so blizu periferije, preživijo.

Izboljšava mikrovaskulature ima potencial za znatno povečanje preživetja enkapsuliranih otočkov. Raziskali smo različne strategije za odpravo omejitve kisika, vključno z vključitvijo sistemov za proizvodnjo kisika, spodbujanje vaskularizacije okoli naprave, in optimizacijo geometrije naprave za zmanjšanje difuzije razdalje.

Optimizacija biokompatibilnosti in materialov

Dolgoročno trajnost biomaterialov in vivo bo treba preskusiti in optimizirati na poseben način. Za translacijske namene mora proizvodnja inkapsulacijskih materialov/naprav ustrezati dobrim proizvodnim praksam in standardom ISO, ki jih običajno ureja regulacija medicinskih pripomočkov.

Razvoj biomaterialov, ki so resnično biozdružljivi dolgoročno ostaja pomemben izziv. Materiali, ki dobro delujejo v kratkoročnih študijah lahko sprožijo neželene učinke, ko so vgnezdeni več mesecev ali let. Odziv telesa na vgnezdene materiale se lahko sčasoma spremeni, pri čemer se sprva blage reakcije lahko napredujejo do resnejše fibroze ali razgradnje materiala.

Poleg tega so zahteve glede proizvodnje in nadzora kakovosti za materiale za inkapsulacijo klinične kakovosti stroge. Obstaja veliko zlatih standardnih biomaterialov, ki se uporabljajo za enkapsulacijo otočkov, ki so enostavni za masovno proizvodnjo. Vendar pa zagotavljanje dosledne kakovosti, sterilnosti in učinkovitosti v velikih proizvodnih serijah predstavlja pomembne tehnične in regulativne izzive.

Izbira mesta za presajanje

Izbira mesta presajanja bistveno vpliva na uspeh inkapsulirane presaditve otočkov. Različne anatomske lokacije ponujajo različne prednosti in slabosti v smislu razpoložljivosti kisika, enostavnosti implantacije, retriabilnosti in gostiteljskih imunskih odzivov. Peritonealna votlina je bila zaradi svoje velike prostornine in relativne enostavnosti dostopa zelo raziskana, vendar so težave s sedimentacijo kapsul in zledenitvijo problematična.

Perikapsularna fibrotična prekomerna rast se je še dodatno zmanjšala, ko so bile krogle Z1-Y15 presajene na mesto bursa omentalis v primerjavi s splošnim intraperitonealnim prostorom, kar lahko kaže na zmanjšanje materialne fibroze z omejevanjem strjevanja sfere. Ocene in vitro na pridobljenih otočkih Z1-Y15 kažejo na funkcionalno intraperitonealno tkivo, kar nadalje kaže, da lahko mesto presajanja bursa omentalis (stopnja pO2 35,0 ± 3,2 mmHg) podpre enkapsulirane otočke, če ni na voljo preveč fibrotičnih rastnih tkiv, da bi se zagotovila brezplačna prehranska izmenjava.

Druga možna presajena mesta, ki se raziskujejo, so podkožni prostori, omentum in celo intramuskularna mesta. Vsaka stran predstavlja edinstvene izzive in priložnosti, in ugotavljanje optimalne lokacije za inkapsulirano presaditev otočkov ostaja aktivno področje raziskovanja.

Izzivi pri merjenju in proizvodnji

Proizvodnja zadostnih količin inkapsuliranih otočkov za klinično uporabo predstavlja pomembne proizvodne izzive. Značilna presaditev otočkov zahteva več sto tisoč do milijonov otočkov, od katerih morajo biti vsi opremljeni z dosledno kakovostjo. Za pristope mikroinkapsulacije to pomeni proizvodnjo milijonov posameznih mikrokapsul, ki izpolnjujejo stroge specifikacije za velikost, prepustnost in mehanske lastnosti.

Nadzor kakovosti je še posebej zahteven za inkapsulirane izdelke iz otočkov. Vsaka serija mora biti preizkušena za otočkov viabilnost, funkcijo, celovitost kapsul, sterilnost in brez endotoksinov. Postopek enkapsulacije lahko sam poudari otočke, ki lahko zmanjšajo njihovo sposobnost preživetja in funkcijo. Optimizacija enkapsulacijskih protokolov za zmanjšanje škode pri otočju, hkrati pa vzdrževanje visoke prepustnosti je stalen izziv.

Nastajajoče strategije za premagovanje izzivov

Raziskovalci aktivno razvijajo inovativne strategije za reševanje izzivov, s katerimi se soočajo tehnologije enkapsulacije. Ti nastajajoči pristopi spodbujajo napredek v znanosti o materialih, bioinženirstvu, imunologiji in celični biologiji, da bi ustvarili učinkovitejše sisteme enkapsulacije.

Napredno oblikovanje biomaterialov

Na podlagi prejšnjih študij, ki so na splošno uporabljale eno ali dve kombinirani strategiji za zaščito funkcije presadka otočkov, je multifunkcionalen enkapsuliran hidrogelni model z več funkcijami pot naprej za razvoj. Z neprekinjenim napredkom tehnologije bi morale dodatne spremembe polimerov doseči višjo stopnjo biološke združljivosti.

Biomateriali naslednje generacije so zasnovani z več funkcionalnimi lastnostmi za reševanje več izzivov hkrati. Ti večnamenski materiali lahko vključujejo protivnetne učinkovine, proangiogene dejavnike, ali imunomodulatorne molekule, da aktivno oblikujejo odziv gostitelja, namesto da bi le pasivno oviro. Kemične spremembe tradicionalnih materialov, kot so alginat, se rafinirano za zmanjšanje odziva tujega telesa, hkrati pa ohranja mehansko stabilnost in prepustnost.

Raziskovalci raziskujejo tudi biomimetične materiale, ki so bolj podobni naravni zunajcelični matrici trebušne slinavke. Z vključitvijo specifičnih beljakovin, rastnih faktorjev ali strukturnih značilnosti, ki jih najdemo v naravnem otočju mikrookolje, so ti materiali namenjeni boljši podpori preživetja in delovanja otočkov.

Strategije soiskapsulacije

Mesenhimalne Stromalne celice zmanjšajo imunski odziv s sprostitvijo citokinov in rastnih faktorjev ter imajo tudi možnost, da sprožijo angiogenezo in popravilo poškodovanih tkiv. Sooblikovalne otočke s podpornimi vrstami celic predstavlja obetavno strategijo za povečanje preživetja in funkcije otočkov. Mesenhimalne stromalne celice, endotelijske celice ali druge podporne vrste celic se lahko vključijo v napravo za inkapsulacijo, da se zagotovi trofična podpora, spodbujanje vaskularizacije, ali modulacijo imunskih odzivov.

Vključitev zunajceličnih matrik komponent, endotelijske celice in žilnega endotelijevega rastnega faktorja v bio-ink lahko natisni model bolj podoben življenjskemu okolju otočnih celic, kar izboljša njihovo biološko funkcijo. Ta pristop ustvarjanja bolj popolnega mikrookolja v napravi za inkapsulacijo lahko bolje podpira dolgoročno preživetje in delovanje otočkov.

3D tiskanje in napredna proizvodnja

3D-tehnologija za tiskanje lahko doseže hitro proizvodnjo in vzdržuje visoko vitalnost celic. Na splošno je 3D-tiskanje eden od najbolj obetavnih pristopov enkapsulacije, saj lahko v kratkem času proizvede klinično pomembne večkomponentne naprave.

Tridimenzionalno bioprintiranje ponuja brezprimeren nadzor nad arhitekturo in sestavo naprav za inkapsulacijo. Ta tehnologija omogoča oblikovanje kompleksnih, večplastnih struktur z natančno nadzorovanimi porami, materialnimi sestavami in prostorskimi ureditvami različnih vrst celic. Bioprint lahko proizvaja naprave z optimiziranimi geometrijami, ki zmanjšujejo difuzijo razdalje, hkrati pa maksimirajo mehansko stabilnost.

Sposobnost hitrega prototipa in testiranja različnih modelov naprav z uporabo 3D-tiskanja pospešuje razvojni proces. Raziskovalci lahko hitro iterirajo z več različicami oblikovanja, da bi ugotovili optimalne konfiguracije za posebne aplikacije. Poleg tega lahko 3D-tiskanje omogoča personalizirane zasnove naprav, prilagojene potrebam posameznih pacientov.

Kombinacija z Gene urejanjem

Ta pristop je mogoče doseči z napredkom v tehnologijah za urejanje genov, kot je CRISPR-Cass9, ki omogočajo natančno spreminjanje imunsko pogojenih poti za zmanjšanje imunogenosti presadka. Hipoimunski inženiring lahko ponovno opredeli terapevtsko pokrajino celične terapije, kot je presaditev otočkov.

Kombinacija enkapsulacije z urejanjem genov za ustvarjanje hipoimunskih otočkov predstavlja močan sinergistični pristop. Gene-urejeni otočki z zmanjšano imunogenostjo lahko zahtevajo manj robustno zaščito imunskega sistema, kar omogoča tanjše inkapsulacijske pregrade, ki bolje podpirajo difuzijo kisika in hranil. Alternativno bi enkapsulacija lahko zagotovila dodatno plast zaščite za gensko urejene celice, kar bi dodatno zmanjšalo tveganje za imunsko zavrnitev.

Otoške celice, ki so preveč izrazile PD-L1, so zagotavljale trajno homeostazo glukoze v krvi, pri čemer so bile ravni C-peptidov v človeški krvi več kot 50 dni korelirane z glikemičnim nadzorom. Inženirski otočki za izražanje imunomodulatornih molekul, kot je PD-L1, lahko pomagajo ustvariti lokalno imunosupresivno okolje, ki dopolnjuje fizično pregrado, ki jo zagotavlja enkapsulacija.

Sistemi za dovajanje kisika

Razvijajo se inovativni pristopi za zagotavljanje ustrezne oskrbe s kisikom, ki obravnavajo eno od najbolj kritičnih omejitev inkapsulacije. Poleg prej omenjenih naprav za proizvodnjo kisika raziskovalci raziskujejo tudi materiale za prenos kisika, sisteme za dovajanje kisika na osnovi perfluoroogljika in zasnove naprav, ki spodbujajo hitro vaskularizacijo okoli implantata.

Nekateri pristopi vključujejo strategije pred-vaskularizacije, kjer je mesto implantacije vnaprej pripravljeno za spodbujanje nastajanja krvnih žil, preden se vsadi enkapsulirani otočki. To lahko pomaga zagotoviti, da je na voljo ustrezno žilno omrežje za podporo inkapsuliranih otočkov od trenutka implantacije.

Imunomodulacijski pristopi

Novejši napredek pri transplantaciji otočkov izhaja iz naprav za enkapsulacijo otočkov, platform za biomateriale, ki sproščajo imunomodulatorne spojine ali so površinsko modificirane z imunoregulacijskimi ligandi, inženirstva otočkov in sopresaditve z dodatnimi celicami.

Namesto da se zanašate izključno na fizične ovire, sistemi inkapsulacije naslednje generacije vključujejo aktivne strategije imunomodulacije. Ti lahko vključujejo nadzorovano sproščanje protivnetnih zdravil, vključitev imunomodulatornih molekul na površini kapsule, ali inženiring materiala kapsule same, da imajo imunomodulatorne lastnosti. Z aktivno modulacijo lokalnega imunskega okolja, ti pristopi so namenjeni preprečevanju odziva tujega telesa in spodbujanje dolgoročne biokompatibilnosti.

Prihodnja navodila in klinični prevod

Preprečevanje tveganja kronične imunosupresije predstavlja naslednjo mejo. V klinične raziskave ali se približujejo, vključno z imunsko-izolacijskimi otočki, inženirsko imunsko privilegirano otočje implantacijo, izdelovanje otočkov, ki se izmikajo imunskemu otočku, in induciranje imunske tolerance v presajenih otočkih. Področje inkapsulirane presaditve otočkov stoji na razburljivem razpotju, z več obetavnimi pristopi, ki napredujejo k klinični uporabi.

Regulativne poti in odobritev

Navigacija po regulativni poti za inkapsulirane izdelke iz otočkov predstavlja edinstvene izzive. Ti izdelki združujejo biološke komponente (otočke) z medicinskimi pripomočki (sistem za inkapsulacijo), ki zahtevajo skrbno obravnavo regulativnih zahtev za oba vidika. Regulativne agencije morajo oceniti ne le varnost in učinkovitost inkapsuliranih otočkov, ampak tudi biokompatibilnost in učinkovitost materialov in naprav za inkapsulacijo.

Avtorji razpravljajo o pomenu te odobritve in o kritičnih korakih, potrebnih za razširitev dostopa bolnikov, kot so povečanje proizvodnje, klinična integracija, okviri povračil, postmarketinški nadzor in pobude za izobraževanje bolnikov. Odobritev LANTIDRA je vzpostavila pomembne precedense in poti, ki bodo olajšale regulativno odobritev prihodnjih inkapsuliranih izdelkov iz otočkov.

Obravnava pomanjkanja darovalcev

NIDDK trenutno podpira raziskave za karakterizacijo in ustvarjanje novih virov celic za proizvodnjo insulina ter za odpravo potrebe po imunosupresivnih zdravilih. Za premagovanje pomanjkanja kadavrskih otočkov raziskave gradijo na mejniku NIDDK, ki ga podpira, da bi se lahko progenitorske celice uporabljale za proizvodnjo velikih količin celic, podobnih β-podobno celic v laboratoriju.

Razvoj neomejenih virov celic za proizvodnjo inzulina s tehnologijo izvornih celic, skupaj z inkapsulacijo za odpravo potrebe po imunosupresiji, bi lahko končno omogočil, da bi bila presaditev otočkov široko dostopna možnost zdravljenja. Z napredkom tehnologije izvornih celic se lahko neomejeni otočki iz izvornih celic razlikujejo in vitro ter se v različnih predkliničnih živalskih modelih dokažejo in vivo funkcionalni. Tako so se otočki, pridobljeni iz matičnih celic, pojavili kot obetavna alternativa človeškim primarnim otočkom.

Kombinacija otočkov, pridobljenih iz matičnih celic, z naprednimi tehnologijami enkapsulacije predstavlja morda najbolj obetavno pot naprej, da bi presaditev otočkov postala dostopna milijonom ljudi, ki živijo s sladkorno boleznijo tipa 1 po vsem svetu. Ta pristop obravnava tako velike omejitve sedanje presaditve otočkov: pomanjkanje otočkov darovalcev in potreba po kronični imunosupresiji.

Pristopi k osebni medicini

Prihodnje inkapsulirane terapije otočkov lahko vključujejo prilagojene medicinske pristope, ki ustrezajo zdravljenju posameznih bolnikov. To lahko vključuje uporabo avtolognih otočkov, pridobljenih iz matičnih celic, za odpravo alogenskih imunskih odzivov, prilagoditev zasnove naprav na podlagi anatomije bolnika, ali izbiro posebnih materialov za inkapsulacijo na podlagi posameznih imunskih profilov.

Uporaba za bolnika specifičnih pluripotentnih matičnih celic za ustvarjanje avtolognih otočkov predstavlja vznemirljivo možnost. Čeprav je ta pristop bolj kompleksen in drag kot uporaba alogenskih celic, bi lahko potencialno odpravil tako aloimunsko kot avtoimunsko zavrnitev, še posebej, če se kombinira z ustreznimi strategijami enkapsulacije in imunomodulacije.

Razširitev uporabe poleg sladkorne bolezni tipa 1

Izkazalo se je, da se naprave za makroinkapsulacijo uporabljajo za kardiovaskularne bolezni in zdravljenje celic CAR-T, kar je obetavno. Ta klinična preskušanja poudarjajo široko uporabo te terapije poleg sladkorne bolezni. Tehnologije inkapsulacije, ki se razvijajo za presaditev otočkov, imajo potencialnejše aplikacije, ki presegajo sladkorno bolezen tipa 1.

Enkapsulacija bi lahko omogočila zdravljenje na celični osnovi za širok spekter stanj, vključno z drugimi endokrinimi motnjami, nevrološkimi boleznimi, odpovedjo jeter in rakom. Načela in tehnologije, ki se izboljšujejo za enkapsulacijo otočkov, se lahko prilagodijo za zaščito in zagotavljanje številnih vrst terapevtskih celic. Uspeh pri otočju enkapsulacije bi lahko torej kataliziral širšo revolucijo v celični medicini.

Dolgoročna vizija

Potrebnih je več napredka za doseganje boljše imunoizolacije otočkov brez oviranja prehranskega transporta in terapevtskega dovajanja insulina v ustrezno zasnovanem matriksu enkapsulacije, ki spominja na naravno mikrookolje trebušne slinavke. Prav tako je potrebnih več študij učinkovitosti v predkliničnih preskušanjih z večjimi živalskimi modeli, saj in vitro in predklinične študije glodalcev pogosto ne prevajajo vedno na odziv človeka. Za zaključek bo skrbna optimizacija tehnologije enkapsulacije pospešila njeno klinično prevajanje in konvencionalno uporabo kot terapevtsko možnost v diabetes mellitus.

Z združevanjem strokovnega znanja med disciplinami, od elektrotehnike do imunologije, lahko raziskovalci začnejo reševati številne izzive, ki so povezani s prevajanjem inkapsulirane celične terapije iz laboratorija v kliniko. Prihodnji uspeh zahteva pripravljenost za sodelovanje, združevanje novih tehnologij "naprav" s tehnologijami "celic" in razumevanje omejitev biološkega okolja, v katerem mora obstajati terapija človeških celic.

Končni vid za inkapsulirano presaditev otočkov je enkratni postopek, ki zagotavlja dolgoročno ali celo trajno obnovitev normalnega nadzora nad glukozo brez potrebe po inzulin injekcijah ali imunosupresivnih zdravilih. Čeprav ostajajo pomembni izzivi, izjemen napredek v zadnjih letih kaže, da je ta vizija vse bolj dosegljiva. Nadaljevanje raziskav, kliničnih preskušanj in izpopolnjevanja tehnologij enkapsulacije nas približujejo temu, da bo to transformativno zdravljenje resničnost za ljudi s sladkorno boleznijo tipa 1.

Sklep

Tehnologije enkapsulacije predstavljajo eno najbolj obetavnih meja pri zdravljenju sladkorne bolezni tipa 1. Z zagotavljanjem zaščitne pregrade, ki ščiti presajene otočne celice pred imunskim napadom, hkrati pa omogoča prehod hranilnih snovi, kisika in insulina, enkapsulacija omogoča odpravo potrebe po kronični imunosupresiji – ena od glavnih ovir, ki preprečujejo, da bi presaditev otočkov postala široko dostopna možnost zdravljenja.

Polje je naredilo izjemen napredek od zgodnjega konceptualnega dela Thomasa Changa v 1960-ih do današnjih izpopolnjenih inkapsulacijskih sistemov, ki vključujejo napredne biomateriale, gene-urejene celice, sisteme za dovajanje kisika in imunomodulatorne strategije. Klinični poskusi dokazujejo, da lahko enkapsulirani otočki preživijo, delujejo in zagotavljajo glikemični nadzor pri bolnikih, kar potrjuje temeljni koncept, hkrati pa razkriva tudi izzive, ki jih je treba premagati.

Ostajajo pomembne ovire, vključno z odzivi tujega telesa, fibrozo, omejitvami difuzije kisika in potrebo po izboljšanih biozdružljivih materialih. Vendar raziskovalci aktivno razvijajo inovativne rešitve za te izzive z naprednim oblikovanjem biomaterialov, 3D tiskanjem, strategijami soinkapsulacije in kombiniranimi pristopi, ki vključujejo enkapsulacijo z urejanjem genov in imunomodulacijo.

Zbliževanje več tehnoloških dosežkov – vključno z otočki, pridobljenimi iz matičnih celic, izpopolnjenimi sistemi enkapsulacije, urejanje genov in napredno proizvodnjo – ustvarja brezprimerne priložnosti za končno uresničitev celotnega potenciala presaditve otočkov. V kombinaciji z neomejenimi viri celic za proizvodnjo insulina iz tehnologij izvornih celic bi lahko enkapsulacija transplantacijo otočkov spremenila iz zdravljenja, ki je na voljo le majhni podskupini bolnikov, v široko dostopno terapijo, ki bi lahko koristila milijonom ljudi, ki živijo s sladkorno boleznijo tipa 1.

S pospeševanjem raziskav in kliničnih preskušanj se vse bolj oprijemljivo uresničujejo sanje o funkcionalnem zdravljenju sladkorne bolezni tipa 1 z inkapsulirano presaditvijo otočkov. Čeprav izzivi ostajajo, je dosedanje napredovanje močan razlog za optimizem, da bodo tehnologije enkapsulacije imele osrednjo vlogo pri prihodnjem zdravljenju sladkorne bolezni in potencialno številnih drugih bolezni, ki jih je mogoče pripisati terapijam na celični osnovi.

Za več informacij o presaditvah otočkov in raziskavah sladkorne bolezni obiščite Nacionalni inštitut za sladkorno bolezen in prebavne bolezni in bolezni ledvic[], Ameriško združenje za sladkorno bolezen[], JDRF], ]Raziskave o presaditvah otočkov narave[]] in Frontiers in imunologije[]]] za najnovejši razvoj na tem hitro razvijajočem se področju.