Razumevanje transplantacije otočnih celic za obvladovanje sladkorne bolezni

Diabetes mellitus ostaja eden najbolj perečih svetovnih zdravstvenih izzivov, ki prizadene več kot 530 milijonov odraslih po vsem svetu, s projekcijami, ki presegajo 700 milijonov do leta 2045. Za posameznike, ki živijo s sladkorno boleznijo tipa 1, imunski sistem selektivno uničuje celice beta, ki proizvajajo insulin, v trebušni slinavki, kar ustvarja vseživljenjsko odvisnost od eksogene insulinske terapije. Kljub napredku pri analogih insulina, neprekinjenih monitorjih glukoze in avtomatiziranih sistemih za dovajanje insulina te tehnologije ne obnavljajo naravne zmogljivosti telesa za uravnavanje glukoze. Transplantacija celic iz otočja ponuja bistveno drugačen pristop – celično terapijo, ki lahko obnovi endogeno proizvodnjo insulina in ponovno vzpostavi fiziološki nadzor glukoze. Ta postopek, ki pa še ni dokončno zdravilo, predstavlja enega od najpomembnejših dosežkov celične terapije za sladkorno bolezen v zadnjih dveh desetletjih.

Biologija otoških celic

Trebušna slinavka vsebuje skupke endokrinih celic, znanih kot otočki Langerhansa, poimenovane po nemškem patologu Paulu Langerhansu, ki jih je leta 1869 prvič opisal. Vsak otoček je zelo organiziran mikroorgan, ki vsebuje več vrst celic, ki delujejo v koncertu: beta celice (proizvodnja insulina), alfa celice (proizvodnja glukagona), delta celice (sekrecija somatostatina) in PP celice (proizvodnja polipeptida trebušne slinavke). Pri posameznikih brez sladkorne bolezni beta celice nenehno zaznavajo koncentracije glukoze v krvi in sproščajo natančno umerjene količine insulina za vzdrževanje normoglikemije. Pri sladkorni bolezni tipa 1 avtoimunsko uničenje teh celic beta povzroči absolutno pomanjkanje insulina in kronično hiperglikemijo.

Otočje celice predstavljajo le približno 1 do 2 odstotka celotne mase trebušne slinavke, vendar prejmejo približno 10 do 15 odstotkov krvnega pretoka trebušne slinavke, odraz njihove izjemne presnovne aktivnosti. Zdrava odrasla trebušna slinavka običajno vsebuje približno milijon otočkov, ki se porazdelijo po celem organu. Za uspešno presaditev pri prejemniku pa je potreben le del teh – običajno med 200.000 in 500.000 ekvivalentov otočkov. Razumevanje občutljive biologije teh celic, vključno z njihovo občutljivostjo za pomanjkanje kisika, tveganja za onesnaženje eksokrine med izolacijo in njihova nestabilna, je bistveno za napredovanje na terenu in izboljšanje kliničnih rezultatov.

Postopek transplantacije otočnih celic

Transplantacija otočnih celic je kompleksen, večstopenjski proces, ki zahteva nemoteno usklajevanje med centri za presajanje, organizacijami za pridobivanje organov in specializiranimi obrati za izolacijo otočkov. Postopek je bil od prvih uspešnih kliničnih primerov v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja in prelomnega Edmontonovega protokola leta 2000, ki je vzpostavil okvir za sodobne tehnike imunosupresije in izolacije, precej izboljšan.

Izbira darovalca in nabava organov

Donorke pankreas so običajno možgani-mrtva posamezniki s stabilno hemodinamiko, brez zgodovine diabetesa, in indeks telesne mase med 20 in 35 kg na kvadratni meter. Pankreas se pridobiva med okrevanjem več organov poleg jeter in črevesja. Toplo ishemijo čas je treba zmanjšati, idealno hraniti pod 30 minut, da se ohrani otoček viabilnost. Organ se prevaža v hladno rešitev konzerviranja, najpogosteje University Wisconsina rešitev, v izolacijski center. Razširjena hladno ishemija več kot osem ur bistveno zmanjša donos in sposobnost preživetja, zaradi česar je logistična koordinacija kritična za uspeh.

Izolacija otoka

Izolacija predstavlja najbolj tehnično zahteven korak v celotnem procesu. Trebušna slinavka je v konzervaciji in perfundira z encimsko raztopino kolagenaze, ki prebavlja zunajcelično matrico, sprošča otočke iz okoliškega eksokrinega tkiva. Nastali prebavni trakt se čisti s centrifugiranjem z gradientom gostote, običajno s Ficol ali jodiksanolom, ki ločuje otočke od težjih acinarnih celic. Očiščenje se običajno izvaja s procesorjem celic COBE 2991, ki daje končni produkt s 50 do 80-odstotno čistostjo. Izločanje otočja se ocenjuje s števanjem otočkov, ki so v ditizonu, pod mikroskopom, medtem ko se vibibilnost meri z uporabo fluorescein diacetata in propidijev jodijev. Večina programov je usmerjena na najmanj 10.000 do 12.000 otočkov ekvivalentov na kilogram telesne mase prejemnika, da se povečata in dosežeta inzulinska neodvisnost.

Infuzija jeter

Prečiščeni pripravek iz otočkov se infundira v portalno veno prejemnika preko perkutanega transhepatičnega katetra, ki je vstavljen pod lokalno anestezijo s zavestno sedacijo. Jetra služijo kot prednostno mesto za presaditev zaradi njegove dvojne oskrbe krvi, visoke napetosti kisika in sposobnosti za sprejem vsaditve izločkov v jetrnih sinusoidih. Infuzija običajno zahteva 15 do 30 minut, med katerimi se portalni tlak skrbno spremlja, da se prepreči tromboza. Bolniki običajno več mesecev prejemajo dve do tri ločene infuzije, da dosežejo neodvisnost od insulina. Celoten postopek poteka v specializiranem radiološkem apartmaju ali operacijski sobi v sterilnih pogojih.

Spremljanje izdelave in po presaditvi

Po infuziji se otočki v majhnih venulih v dveh tednih ponovno vsrkajo. Postopno ponovno začnejo s proizvodnjo insulina, pri čemer je največja funkcija običajno dosežena v treh do šestih mesecih po presaditvi. Prejemniki potrebujejo skrbno spremljanje ravni glukoze v krvi, C-peptid kot označevalec endogenega nastajanja insulina in hemoglobin A1c. Imunosupresivno zdravljenje se vzdržuje s takrolimusom in mofetilmikofenolatom, pogosto s kratkim potekom steroidov, čeprav se Edmontonski protokol predvsem izogiba steroidom. Antitimocitni globulin ali alemtuzumab se lahko uporablja za indukcijsko zdravljenje. Dolgoročno spremljanje vključuje spremljanje okužbe, malignosti in poslabšanje ledvične funkcije zaradi toksičnosti zaviralcev kalcinevrina.

Klinični izidi in koristi

Primarni cilji presaditve otočnih celic so doseči stabilen nadzor nad glikemijo, odpraviti hudo hipoglikemijo in izboljšati kakovost življenja. Stopnje neodvisnosti inzulina so se v zadnjih dveh desetletjih bistveno izboljšale.Po podatkih Sodelavni register presajenih otočkov[] je približno 50 odstotkov prejemnikov ostalo neodvisnih od insulina v petih letih po presaditvi, ko so prejeli optimizirano imunosupresijo. Tudi tisti, ki potrebujejo dodaten insulin, pogosto dosežejo raven hemoglobina A1c pod 7,0 odstotka in doživijo skoraj popolno odpravo nezavednosti o hipoglikemiji.

Ključne koristi vključujejo dramatično zmanjšanje tveganja za hipoglikemijo – ponovno vzpostavitev protiregulacije glukagona zmanjša incidenco hudih hipoglikemičnih dogodkov za več kot 90 odstotkov. Prejemniki peptidov C kažejo stabilnejše dnevne profile glukoze in bistveno manjšo variabilnost glikemije. Psihološka stiska, povezana s strahom pred hipoglikemijo, se občutno zmanjša, kar vodi do znatnega izboljšanja kakovosti življenja. Poleg tega lahko izboljšana presnovna kontrola upočasni napredovanje diabetične retinopatije, nefropatije in nevropatije pri nekaterih bolnikih.

Izzivi in omejitve

Kljub svoji obljubi, presaditev otočkov se sooča z znatnimi omejitvami, ki preprečujejo široko posvojitev. Omejena ponudba darovalcev organov ostaja pomembna ovira – v Združenih državah Amerike je letno na voljo le okoli 2000 do 3000 darovalcev trebušne slinavke, mnogi pa so neprimerni za izolacijo otočkov zaradi dejavnikov, kot so starost darovalcev, debelost ali podaljšana ishemija. To omejuje postopek na nekaj tisoč pacientov na leto po vsej državi.

Vseživljenjska imunosupresija predstavlja še en velik izziv. Zaviralci kalcinevrina, zlasti takrolimus, so osrednji za sedanje protokole, vendar imajo nefrotoksične učinke, ki lahko pospešijo diabetično nefropatijo. Mofetilmikofenolat poveča tveganje okužbe, steroidi pa, kadar se uporabljajo, poslabšajo odpornost proti insulinu. Imunosupresija povečuje tudi tveganje za malignosti in oportunistične okužbe. Do 50 odstotkov presajenih otočkov se lahko izgubi v prvih nekaj dneh zaradi takojšnje vnetne reakcije, hipoksije ali imunske zavrnitve. Kronični presadki se nadaljujejo zaradi ponavljajoče avtoimunosti, aloimunosti in toksičnosti zdravil.

Jetrni zapleti se pojavljajo v 5 do 15 odstotkov primerov in vključujejo trombozo portalne vene, krvavitve in povišane jetrne encime. Postopek je drag, običajno stane 100.000 $ do 200.000 $ na bolnika, in ni splošno pokrita z zavarovanjem. V Združenih državah Amerike, presaditev otočkov ostaja odobrena kot preiskovana terapija pod biologics License Application pot FDA, čeprav se izvaja kot standard oskrbe v več evropskih državah, vključno z Italijo, Švico, in Združeno kraljestvo.

Primerjava s celotno transplantacijo pankreasa

Transplantacija celotne trebušne slinavke ponuja alternativno celično nadomestno zdravljenje z izrazitimi prednostmi in pomanjkljivostmi. Transplantacija celotne trebušne slinavke zahteva večjo operacijo trebuha z daljšim okrevanjem, običajno tri do sedem dni hospitalizacije v primerjavi z enim do dvema dnevoma za infuzijo otočkov. To prinaša višje stopnje zgodnjih zapletov, vključno s trombozo, pankreatitisom in anastomotsko puščanje, s perioperativnim tveganjem smrtnosti približno 1 odstotek. Glicemski rezultati so na splošno bolj robustni, pri čemer 70 do 80 odstotkov prejemnikov doseže neodvisnost od insulina v petih letih v primerjavi s približno 50 odstotkov s presaditvijo otočkov.

Oba postopka zahtevata vseživljenjsko imunosupresijo. Transplantacija celotne trebušne slinavke je na splošno rezervirana za bolnike s končno odpovedjo ledvic, ki prejemajo sočasno presaditev ledvic-pankreas. Transplantacija otoka je bolj primerna za bolnike s hudo hipoglikemijo nezavedno, ki so ohranili ledvično funkcijo. Izbira med obema je odvisna od posameznih dejavnikov bolnikov, strokovno znanje centra in razpoložljivost organov darovalcev. Za mnoge bolnike s krhko sladkorno boleznijo, presaditev otočkov ponuja varnejšo začetno možnost z manjšo kirurško obolevnostjo, medtem ko celotna presaditev trebušne slinavke zagotavlja bolj trajno dolgoročno funkcijo presaditve.

Trenutne raziskave in prihodnje usmeritve

Cilj tekočih raziskav je premagati omejitve presaditve otočkov z več dopolnilnimi strategijami, ki obravnavajo oskrbo darovalcev, njihovo imunsko zavrnitev in preživetje presadka.

Stemske celice z izsevom

Inducirane pluripotentne matične celice in zarodne matične celice lahko diferenciramo v beta-proizvodne celice. Podjetja, vključno z Vertexom, Sernovo in ViaCyte, v kliničnih preskušanjih testirajo inkapsulirane izdelke iz matičnih celic. Zgodnji rezultati kažejo sposobnost tvorbe C-peptida pri ljudeh, čeprav glukozno odzivno izločanje insulina ostaja suboptimalno. Ključni izzivi vključujejo doseganje polne zrelosti celic beta, preprečevanje nastajanja teratomov in zaščito celic pred imunskim napadom brez sistemske imunosupresije.

Tehnologije inkapsulacije

Mikrokapsulacija z uporabo kapsul alginata in naprav za makroinkapsulacijo, kot je TheraCyte sistem, je namenjena zaščiti presajenih otočkov pred imunskimi celicami, hkrati pa omogoča difuzijo glukoze in insulina. Nedavni napredek vključuje biozdružljive premaze, ki zmanjšujejo fibrozo, skele za ustvarjanje kisika in sisteme za večjo varnost. Biohibridna umetna pankreasa Inštituta za diabetes združuje otočke z žilasto membrano. Ti pristopi imajo potencial za odpravo potrebe po sistemski imunosupresiji v celoti.

Gene urejanje in Imunska modulacija

Tehnologija CRISPR-Cas9 omogoča urejanje otočnih celic za zmanjšanje imunogenosti. Strategije vključujejo brisanje molekul razreda I MHC, da bi se izognili prepoznavanju celic T, vstavljanje beljakovin imunske kontrolne točke, kot je PD-L1, za induciranje tolerance, in inženirske otočke za izražanje protivnetnih dejavnikov, vključno s CTLA4-Ig in IL-1Ra. Prekomerno izražanje heme kisikaze-1 lahko pomaga otočkom, da se uprejo smrti, ki jo povzroči hipoksija. Ksenotransplantacija z uporabo inkapsuliranih otočkov prašičev nadaljuje z napredovanjem, pri čemer klinični preskusi na Novi Zelandiji dokazujejo varnost in predhodno učinkovitost.

Alternativna mesta za presajanje

Opombi jeter, vključno s krvno posredovano vnetno reakcijo in visoko izpostavljenostjo zdravilu, sta spodbudili raziskovanje ekstrahepatičnih mest. Omentum, podkožni prostor z uporabo predvaskulariziranih skelov, kostnega mozga, želodčne submukoze in ledvičnega subkapsulnega prostora, vsaka od njiju ponuja različne prednosti glede dostopnosti, oskrbe s kisikom in imunološkega privilegija. Pristop omentalne vrečke je pokazal še posebej obetavne rezultate v živalskih modelih in zgodnjih poskusih na ljudeh.

Izbira bolnika in upravičenost bolnika

Kandidati za presaditev otočkov imajo običajno sladkorno bolezen tipa 1 s hudo hipoglikemijo nezavednost, vključno s ponavljajočimi se epizodami nezavesti ali epileptičnih napadov ali krhkimi diabetesi s širokimi glikemičnimi ekskurzijami kljub optimizirani insulinski terapiji. Bolniki morajo imeti ustrezno delovanje ledvic, ki je običajno opredeljeno kot očistek kreatinina nad 60 ml na minuto, zaradi nefrotoksičnih učinkov imunosupresije. Merila za izključitev vključujejo zlorabo zdravilne učinkovine, predhodno presajanje organov, hudo srčnožilno bolezen, aktivno okužbo ali malignost in hudo debelost z indeksom telesne mase nad 35. Večina centrov zahteva, da so bili bolniki na terapiji z insulinom vsaj pet let. Postopek ni priporočljiv za posameznike s sladkorno boleznijo tipa 2, razen če imajo hudo pomanjkanje insulina z nizko koncentracijo C-peptida.

Globalni dostop in regulativni status

Transplantacija celic Islet se izvaja v specializiranih centrih po vsem svetu. V Združenih državah Amerike FDA ureja priprave otočkov kot preiskovanih novih zdravil, in Nacionalni inštituti za zdravje financira klinično otočje Transplant konzorcij. V Evropi je postopek odobren kot standardna terapija v več državah, vključno z Združenim kraljestvom, Švico, Italijo in Švedsko. Kanada in Avstralija tudi vzdržujeta aktivne programe. Vendar pa visoke stroške in potrebo po naprednih zmogljivostih za izolacijo celic omejuje dostop do majhnega števila specializiranih akademskih centrov. Prizadevanja za standardizacijo protokolov izolacije in razvoj daljinskih proizvodnih omrežij so namenjena razširitvi razpoložljivosti v prihodnjih letih.

Klinični izgledi

Transplantacija otočnih celic zavzema edinstveno nišo v zdravljenju sladkorne bolezni kot edino celično terapijo, ki je sposobna obnoviti fiziološko izločanje insulina. Trenutni rezultati so dobri, vendar ne popolni, s prostorom za izboljšanje vzdržljivosti presadka, imunosupresivne varnosti in oskrbe darovalcev. Zbliževanje biologije matičnih celic, tehnologije inkapsulacije, urejanja genov in imunologije obljublja novo generacijo zdravljenja. V naslednjem desetletju lahko postanejo na voljo otočki, ki so zunaj inkapsuliranih matičnih celic in zahtevajo malo ali nič imunosupresije, ki bi lahko koristili milijonom bolnikov s sladkorno boleznijo tipa 1 in podskupino tistih s hudo sladkorno boleznijo tipa 2.

Transplantacija otočkov je za zdaj še vedno močna terapevtska možnost za najzahtevnejše paciente, saj jim omogoča svobodo pred hudo hipoglikemijo in potjo k boljšemu glikemičnemu nadzoru. Bolniki, ki se želijo več naučiti, naj se posvetujejo s sredstvi iz []Celotativni register presajenih otokov[], ]]Nacionalnega inštituta za sladkorno bolezen in prebavne bolezni in bolezni ledvic[] in Diabetes informativna stran Združenega kraljestva]. Za oceno posameznikove upravičenosti in določitev najustreznejšega pristopa k zdravljenju je bistvena razprava s specialističnim endokrinologom za presaditev.