了解一型糖尿病的岛细胞移植

1型糖尿病是一种慢性自体免疫障碍,其特点是胰腺中胰岛素生成的β细胞被破坏,导致胰岛素缺乏和慢性高血糖症. 目前临床上露出1型糖尿病的主要治疗策略——主要是外出胰岛素的服用与血糖监测相结合——未能完全模仿生理胰岛素的调节,往往导致低水平或不足的甘油控制. 对全世界数百万患者来说,控制这种状况需要不断警惕,需要多次胰岛素注射,并仔细监测血糖水平以防止危险的并发症.

岛细胞移植已成为功能上取代内生胰岛素生产并实现长期甘油稳定性的有希望的途径。 在岛细胞移植中,岛细胞(包含β细胞和其他细胞类型)与捐献者体内的甲状腺囊相隔离并移植到1型糖尿病患者体内。 移植的岛细胞随后开始生产胰岛素,以应对血糖分位,这种方法比传统的胰岛素疗法有了显著的进步,为患者提供了无需不断胰岛素注射而实现近乎正常的血糖控制的潜力。

美国食品和药物管理局最近批准了针对因反复出现严重低血糖症而复杂的一等糖尿病成年人的岛移植。 美国食品和药物管理局最近批准将死亡捐献者岛移植作为针对1等糖尿病成年人的第一种细胞疗法(Lantidra;Celltrans, Inc.),因为这些成年人尽管糖尿病管理和教育密集,但目前仍屡屡出现严重的低血糖症,这标志着几十年来糖尿病细胞疗法领域的研究和临床发展。

临床岛移植联合会的多中心阶段三期岛体移植试验的长期后续试验涉及48名来自这些人群的人群,84%的接受者表现出岛体移植存活,其中77%的HbA1c保持在7.0%以下,74%保持在6.5%以下,90%以上没有严重的低血糖,大约50%的胰岛素在6年的中位跟踪中保持独立,这些令人印象深刻的结果表明,经过仔细挑选的难以管理糖尿病患者的岛体移植具有转化潜力。

关键挑战:拒绝免疫

尽管岛移植取得了显著的成功,但广泛采用的最重要障碍之一仍然是人体对被移植细胞的免疫反应。 由于这种移植发生在多基因环境中,接受者需要免疫抑制疗法。 这种慢性和系统性的附着治疗会导致毒性,增加感染和肿瘤发育的风险,并最终降低患者的生活质量。

抑制对小岛免疫排斥所需的药物必须持续到移植期,它们也带来很大风险。 使用这些药物会增加细菌和病毒感染的易感性;会导致疲劳、肾功能下降、口腔疼痛和胃肠问题;并可能增加发展某些癌症的长期风险。 这些免疫抑制剂还被认为会影响被移植的小岛的长期生存能力,因为研究表明它们随着时间的推移会对小岛产生毒性。

与标准护理相比,岛移植组群肾功能下降的速度更高,其原因可能是目前对钙氨酸抑制剂 — — 即基于免疫抑制剂的需求,以保护岛移植剂免受甲状腺排斥和自体免疫再生的影响。 这一结论突出表明迫切需要替代方法,既可以保护被移植的岛,又不必终身系统性免疫抑制。

系统免疫抑制的需求仍然是让岛移植成为更普及的治疗1型糖尿病患者的主要障碍。 因此,未来的一个重要研究目标是实现移植细胞的"免疫耐受性",这意味着免疫抑制药物只需要很短的时间甚至根本不需要。 这正是封装技术作为潜在的游戏改变解决方案进入画面的地方。

什么是封装技术?

封装是将活细胞与半透膜相接的技术,细胞微封装技术涉及将细胞固定在聚合半通膜内,可以使分子双向扩散,如氧气、营养物质、细胞新陈代谢所必需的生长因素以及废物产品和治疗蛋白的外向扩散,同时,封装细胞的半通膜性质也阻止了免疫细胞和抗体破坏封装细胞,把它们视为外向入侵者。

在一种称为封装的战略中,岛(包括捐赠者以及实验室所生长的幼体细胞衍生出岛状集群和有机体)被涂上一种材料,保护它们不受受体免疫系统的攻击并增进其健康功能。 封装的基本原则简洁地说:形成一种保护性屏障,允许基本营养和氧气到达被移植细胞,同时防止免疫细胞攻击这些细胞。

活体胰腺被定义为以半透膜内被封装的活体细胞为基点的胰腺地层构造,这样,细胞在分泌胰岛素来调节血糖时,就可以被宿主的免疫系统所保护. 这个概念代表了一种复杂的生物工程方法,它寻求复制胰腺的自然功能,同时保护被移植的细胞免受免疫破坏.

封装技术的历史可以追溯到几十年. 1964年,为了给细胞提供免疫保护,将细胞封装在超薄聚合物膜中的想法由托马斯·张提出,他提出了定义生物封装概念的"人工细胞"一词,这个系统由林和孙进一步推进,林和孙率先对地块进行微封装,创造了第一个生物封装内分泌胰腺。 自从这些开创性的努力以来,随着材料科学,纳米技术和生物工程的进步,这个领域发生了巨大的变化.

封装方法的类型

两种主要封装方法已经被广泛研究:微封装和纳米封装。 每一种方法都提供了独特的优势,在保护被移植的岛细胞免受免疫排斥的同时,也面临着独特的挑战。 了解这些不同方法对于理解封装技术在糖尿病治疗中的复杂性和潜力至关重要。

微封装

微囊胶囊是指从大约几十个微粒到1.5毫米大小的球状系统,这种方法涉及将单个的岛状细胞或小的集群同薄层生物相容材料相接,一般生成可以植入患者体内的球状胶囊,微囊胶囊最常用的材料是取出自棕色海藻的天然多沙克素.

开发出胶原-聚氨酯-甲酸缩合酶(APA)微囊细胞,使其不易被异能活化;研究显示,当这些被微囊化的黄细胞被植入糖尿病大鼠体内时,这些细胞在几周内仍然可行,并且有控制地的葡萄糖水平。动物模型的这一早期成功证明了微囊化方法的可行性并引发了几十年的后期研究。

以盐酸盐为基础的微囊泡具有若干优点,材料具有生物相容性,相对便宜,可以在无害于被囊泡细胞的温和条件下加工,在与钙离子接触后,凝胶过程会迅速发生,从而能够高效地将大量小岛封住,然而,微囊泡泡也面临重大挑战,特别是在植入后可能发生的外体反应和纤维过度生长方面。

用于包接的缩影胶囊的微粒细胞可以长期控制啮齿类糖尿病模型的粘膜;然而,由于外体反应有力,外体纤维过度生长,直立的双管物种在腹腔内沉积,因此,移植出等同显微层制剂的人体只经历了瞬状接叶胶囊功能,这种啮齿类模型的成功与人类应用挑战之间的脱节是将微粒细胞囊技术转化为临床实践的主要障碍之一。

为了应对这些挑战,研究人员开发出化学改造的去甲酸制剂。 结合一种对非人类灵长类动物的布萨蛋白的入侵性最小的移植技术,最有前途的化学改造去甲酸衍生物(Z1-Y15)保护了4个月的可行和葡萄糖反应的同源地峡而无需免疫抑制。 最近使用三亚甲酸化去甲酸水凝胶的研究似乎可以防止与更大型动物模型(非人类灵长类动物)常见的过量纤维化,并可能有助于延长封装地峡谷。

微封装需要更复杂和个性化的制造工艺,而宏观封装装置则可能更容易制造,在植入后更容易回收,更有利于商业化。 尽管这些制造挑战,微封装仍然是活跃的研究领域,因为它有可能提供免疫保护而不需要大型植入装置。

宏封装

宏观封装在更大的装置或胶囊中,会将许多小岛细胞装入不同的处理方式。这些装置通常由一个包含多个小岛的舱室或邮袋组成,由半透膜所包围。宏观封装装置提供了几种潜在的优点,包括:如果出现并发症,更容易检索,制造过程更直截了当,以及能够吸收氧气生成器或血管化-促进结构等额外特性。

热膜装置是免疫隔离的,由一双膜口袋组成. 外膜有5微米孔径来支撑细胞渗透,并在整个装置上促进血管起伏. 内膜有0.4微米直径来隔离与血管相邻的地块. 这种双膜设计代表了平衡免疫防护和充分血管化等相竞争需要的创新方法.

ViaCyte后来发展出一种被称为"恩卡普特拉"的系统,它有一个单一的膜,可以免疫来保护被移植的细胞免受与免疫细胞的直接相互作用,同时允许氧气和营养物质通过. 封装干细胞衍生出活性β细胞对1型糖尿病患者施加了葡萄糖控制. 这些临床发展显示宏观封装装置正在从实验室研究向现实世界应用的进步.

开发出的一些装置包括:TheraciteTM公司、βAirBetaO2技术、Sernova的细胞邮袋系统、VEC-Encap(VC-01)和VEC-Direct(VC-02)ViaCyte(现由Vertex制药公司收购)的PEC-Encap(VC-02),这些装置都代表了解决岛装挑战的独特方法,其设计、材料和植入地点各不相同。

另一种使用微构技术的宏封接装置叫做纳诺格地,由外膜组成,外膜有平行的纳米通道(3.6–40纳米)和相邻的通直微通道(20–60微分),纳米通道的设计旨在提供免疫保护,而微通道被认为有助于被活化. 纳诺格地下植入小鼠中人岛显示植入存活了120多天.

宏观封装设备的关键挑战之一是确保封装的岛的氧气供应。安德森和他的同事报告说,封装的岛的封装设备也带有一个船上的氧气发电机。这个发电机由一个质子交换膜组成,它可以将水蒸发(在体内发现很多)分为氢和氧。氢扩散到无害的地方,而氧气进入一个储存室,通过薄而可渗透的氧气膜为岛细胞提供食物。它们表明,这些封装的胰岛细胞在体内至少可以活取90天。在接受植入的老鼠中,细胞仍然能正常运转,并产生足够的胰岛素来控制动物的血糖水平。

然而,并非所有宏观封装方法都取得了成功. VX-264,由Vertex开发的一款专有的宏观封装设备所封装的调查性岛细胞疗法,完成了第1/2个剂量阶段,然而,分析没有达到其疗效终点,导致临床试验终止,这一挫折凸显出在发展有效的宏观封装系统方面持续存在的挑战,以及需要继续研究和完善.

纳米封装

相形之下,纳米封装法是指直接沉入于岛面上纳米尺寸的涂层或地层. 与其它封装方法不同,与将细胞或物质固定在微量大小的凝胶基质中的方法不同,纳米封装方法通常基于细胞或器官周围的纳米膜的形成. 纳米封装法是一种通过有条理涂层来封装地块的技术,主要依靠喷管方法,与常规的微盖相形制法相比,有条理涂层可以形成覆盖每个个体的薄膜.

所生成的材料的大小和薄膜的厚度都根据单个岛体的大小和形态来调整,这种技术产生了纳米囊,为此,保护膜的厚度有利于氧,营养和代谢物的双向扩散. 纳米囊涂层的超薄性在营养和氧扩散方面比更厚的微囊层提供了显著优势.

纳米封装技术是封装技术的前沿,它利用纳米技术和材料科学的进步,制造出厚度只有纳米的防护屏障。 这种方法可以最大限度地缩小氧气和营养物质的传播距离,同时提供有效的免疫保护。 符合性涂装技术确保每个岛都得到与形状和大小完全相匹配的涂层保护。

纳米封装的多种材料和方法已经得到探索,包括多电子解析物的分层组装、化学蒸汽沉降和等离子聚合。 每一种方法在涂装统一性、厚度控制和生物相容性方面都有不同的优势。 目标是建立足够薄的涂层,以便迅速扩散氧气和营养物质,但又足够坚固,在长时间内提供有效的免疫保护。

封装中使用的生物材料

生物材料的选择对任何封装策略的成功都至关重要. 理想封装材料必须满足几个要求:它必须是生物相容,机械相稳定,能渗透到氧气和营养物质,无法渗透到免疫细胞和抗体,以及能抵御身体环境中的降解. 研究人员在寻找最佳封装生物材料的过程中探索了广泛的自然和合成材料.

缩放和修改 Alginates

盐酸盐仍然是最广泛研究的岛状封装材料,因为它具有生物兼容性、加工方便性以及在温和条件下形成凝胶的能力。 但是,标准盐酸盐制剂在临床应用方面,特别是在外体反应和纤维过度生长方面,已经显示出局限性,从而导致对旨在减少这些不良反应的化学改良盐酸剂进行了广泛的研究。

三种化学改造后免疫调节活化制剂引出外体反应减弱. Z1-Y15化学改造特地使宏phage活化上游,进而大大减少了肌外膜活化:下游纤维化的主要诱发因素. 这些被改造的活化制剂是应对封装技术中的一大挑战的重大进展.

三 ⁇ 基改性活化剂和其他化学改造制剂的开发,证明了了解生物材料与免疫系统之间的分子相互作用的重要性. 通过仔细地对活化剂的化学性质进行工程,研究人员可以调节宿主的反应并减少困扰早期封装尝试的纤维反应.

丝绸材料

被处理的丝蛋白抗生性低,被植入活体时很少引起免疫反应. 被丝材料封装的同分泌物的性能被丝素,这种蛋白质呈现出强烈的机械性质和低免疫性能而显著增强. 与中枢分泌的分泌细胞相接导致刺激指数的2.3折叠增加和纤维素的附加并发性封装导致4.4折叠增强,而与纯丝封装的同分泌物相比.

丝绸材料具有独特的优势,包括极好的机械特性、可控制的降解率以及被加工成包括胶片、水凝胶和多孔脚手架在内的各种形式的能力。 丝绸蛋白的自然来源及其在医疗应用中的长期使用历史,为它们的生物兼容性和安全性提供了更多的信心。

合成多聚体

通过使用一种通过电压可生物兼容的医学-多碳酸酯(TSPU)和高活性水凝胶芯所制取的高度多孔和耐用性能的纳米纤维皮肤,研究人员开发出一种可植入的纳米纤维集聚细胞(NICE)装置,为大规模生产提供更好的生物兼容性、安全和可扩展性,确保安全地交付和保护Xenogene干细胞-衍生的地产地;为了进一步提高大型动物的集聚装置的生物相容性,研究人员报告了利用电子集聚技术所安装的多聚体聚物(ZPU)纳米。

合成聚合物提供了精确控制物质特性的优势,包括机械强度,通透性和降解率等. 电子螺旋等先进制造技术能使纳米纤维结构产生出高地平面和可控孔径,优化了免疫防护和营养输送之间的平衡.

封装技术的优点

封装技术提供了一些令人信服的优势,使它们成为改善 Islet移植结果的有吸引力的方法。 这些好处解决了许多关键限制,这些限制阻止了 Islet移植成为广泛使用的一型糖尿病治疗选择。

消除慢性免疫抑制

封装有足够屏障的岛体,可以防止感染者感染,避免感染者感染。 封装方法旨在减少免疫排斥,消除系统免疫抑制的需要,为改进1型糖尿病治疗的岛体生存性和功能提供一条有希望的道路。

保护移植的岛地的能力不需要终生免疫抑制药物,这或许代表了封装技术的最显著优势。 细胞封装可以减少器官移植后长期使用免疫抑制药物控制副作用的需要。 这将极大地扩大可以从岛地移植中受益的患者群体,因为许多患者目前无法容忍或不愿接受慢性免疫抑制的风险。

封装技术可以消除免疫抑制药物的需求,使岛移植适合更广泛的1型糖尿病患者,而不仅仅是那些患有最严重和最难管理疾病的人。 这会把岛移植从针对一小群患者的最后治疗转变为对更多糖尿病患者的可行选择。

扩展岛生存与函数

结合设计原则促进了研究期间(4个月)的活性,在不使用任何免疫抑制的情况下将移植到非人类灵长类动物体内. Islt xenograft survivation,快速降低血糖和长期地进行200多天的甘油控制,没有任何免疫抑制剂,这些结果表明,经过适当设计的封装系统可以支持长期活性并发挥功能,而不需要免疫抑制药物.

封装产生的保护性环境有可能将被移植的小岛的功能寿命延长到仅靠免疫抑制所能够达到的范围之外。 通过保护这些小岛免受免疫攻击并提供稳定的微观环境,封装可能有助于长期保存岛功能,减少或消除重复移植的需求。

允许使用替代单元格源

使用微封装可以保护被岛细胞免受免疫排斥,并允许使用动物细胞或转基因胰岛素生成细胞,封装已经在所有原始人类小岛、多生小岛和干细胞衍生小岛进行了测试,开发这种平台技术以适应不同的细胞类型和疾病应用是可行的。

封装技术最令人兴奋的优势之一是它有可能在人体地窖外使用替代细胞源。 器官捐献者的稀缺对这些程序造成了很大限制。 由于其目前的局限性,以及所需的肉囊衍生出地窖的短缺,岛移植只适合一小群1型糖尿病患者。

封装可以使多孔虫岛的使用成为可能,这些岛几乎数量无限,在临床前的研究中已经显示出有效的功能。 在进一步减少Xenogeneic岛移植后免疫排斥的尝试中,多孔虫岛可能被封装在保护层中以避免免疫细胞识别。 在一项研究中,新生儿多孔虫岛被封装在稳定而可渗透的高血糖中,并被封入生物相容的免疫保护膜中,被活化为免疫缺陷小鼠腹腔中。

此外,封装技术可以促进干细胞衍生的黄细胞的使用,干细胞衍生的黄细胞是胰岛素细胞的另一个潜在无限来源。 β细胞替代的研究侧重于开发可伸缩的解决方案,如干细胞衍生的黄细胞,以及局部免疫抑制。 正在进行的临床试验的初步结果表明,干细胞移植 — — β细胞可以持续恢复受免疫抑制的受体中1型糖尿病的胰岛素独立,从而表明在产生无限制和统一的移植细胞供应方面所取得的深刻进展。

可获取性和安全性

宏观封装装置在出现并发症时提供了可回收性的额外优势。 不同于分散的微封装地峡或直接移植地峡,必要时可手术取出宏观封装装置。这种封装装置提供了一个重要的安全特征,在装置失效或造成不良反应时,可以进行干预。这些装置在被回收后被证明保持完整性,并在新的免疫缺陷糖尿病小鼠中重新移植。

临床进展和最近的发展

封装岛移植领域近年来取得了显著进展,有几种方法向临床试验迈进并显示出有希望的结果,这些发展显示封装技术正在从实验室研究转向现实世界临床应用。

临床试验中用Stem Cell-Derived Islets

Vertex制药公司利用更成熟的干细胞衍生出β细胞,于2021年启动了1/2期临床试验(VX-880),在全剂量免疫抑制下,细胞移植入肝脏。 到2024年6月,12名患者接受了注射;12名患者中有11名明显减少或完全胰岛素独立,所有患者在持续葡萄糖监测中与葡萄糖的浓度低于7.0%,且其时间百分比超过70%。 3名后续时间超过一年的患者达到了HbA1c严重缺血症消除的主要终点,其浓度低于7.0%,胰岛素独立程度的第二终点。

这些与VX-880相关的令人印象深刻的结果证明了干细胞衍生的黄细胞恢复胰岛素独立和达到极佳的甘油控制的潜力。 然而,重要的是要注意这些试验仍然需要免疫抑制。 下一个前沿是干细胞衍生的黄细胞与封装技术相结合,以消除免疫抑制药物的需求。

自动装入已动的岛状细胞移植

第一阶段临床试验评估了在1型糖尿病治疗腹部后继部外侧螺旋罩下自发移植多能干细胞衍生黄细胞的可行性,病人从75天移植后实现了持续的胰岛素自体,病人在目标时的输卵管范围从43.18%提高到96.21%,到4个月移植后,同时,甘油血红素水平下降,这是非糖尿病长期系统性葡萄糖水平的指标。

接下来,患者呈现出稳定的甘油控制状态,在目标时的甘油控制范围超过98%,血红蛋白的浓度约为5%。 这一显著的结果表明,自发干细胞衍生的黄细胞有可能恢复正常的葡萄糖控制。 尽管这次试验仍然使用免疫抑制,但使用自发细胞(来自患者自身的组织)是减少免疫排斥的重要一步。

封装细胞治疗试验

2017年,ViaCyte利用PECQ-Encap系统进行了1/2期临床试验(VC ⁇ 02),该试验封装了多能干细胞的"衍生胰腺内分泌细胞". 虽然这次试验的早期结果显示被封装的细胞能够活下来并产生C-peptide(胰岛素生产标志),但试验还揭示出血管化和纤维化反应等挑战,限制了该方法的有效性.

治疗中心(以前与ViaCyte联合进行)正在用一个调查、多基因、基因编辑、低免疫干细胞衍生出1型糖尿病的胰腺内分泌细胞进行人类第一阶段临床试验,这些细胞还被封入一个装置,用于植入患者体内,而无需免疫抑制疗法,这种方法结合了多种尖端技术——基因编辑、干细胞分化和封装——以形成一个全面解决异蕾移植挑战的办法。

扩大林业发展局核准的岛移植

2024年11月25日,芝加哥伊利诺伊大学卫生学院与CellTrans合作启动了LANTIDRA疗法. 2024年全年,CellTrans与区域和国家岛移植计划进行了广泛的讨论,旨在到2025年启动多中心实施. LANTIDRA已经由美国大多数私人保险公司为1型糖尿病患者提供保险. 此外,FDA最近批准了LANTIDRA的航运协议,用于LANTIDRA的保存期可达48小时,促进了更广泛的分布.

虽然LANTIDRA代表需要免疫抑制的未封装的岛移植,但其批准和扩大提供创造了重要的基础设施和临床经验,有助于将封装岛治疗最终转化为广泛的临床应用。

封装技术面临的挑战

尽管封装技术有重大希望,但必须克服若干重大挑战,才能在临床上取得广泛成功。 理解这些挑战对于了解开发有效封装系统的复杂性和有待完成的工作至关重要。

外国机构反应和纤维化

大型临床应用的主要局限性包括生物材料的多变性,生物相容性不足导致某种程度的外体反应和渐进纤维反应. 将胶囊移植导致宿主反应,这取决于多种因素(如细胞,材料,移植地等). 移植到组织后不久,宿主对移植的反应和物质可以由附近的血管起起起的炎症反应所组成. 随着时间的推移,炎症反应最好能解决,不会发生纤维化,并允许胶囊相邻的血管生长来进行营养和激素交换. 然而,从岛外释放出出出出出出出出出抗原可能有助于免疫细胞的活化和活化.

外体反应是成功封装的最大障碍之一,当身体识别出被植入的物质为外体时,它会引发起一股炎症级联,导致被植入的装置或微囊周围形成密集的纤维胶囊. 这种纤维组织起到屏障的作用,限制了氧气和营养物质被封装到被封装的地块上去,可能导致被植入的功能障碍和死亡.

已知活性宏phages会吸收出肌外生素,这些细胞外基质蛋白(Collagen I/III,laminin,纤维素)会与宏phages结合形成营养素限制性基质,了解外体反应的细胞和分子机制对于制定缓解这种反应的战略至关重要。

与啮齿动物相比,大型动物模型(非人类灵长类动物、猪和狗)的封装性可行性更具挑战性,因为强烈的免疫反应导致封装装置的纤维化,从而损害了营养交换。 这进一步凸显出非人类灵长类动物与测试异体细胞封装技术的最有预测性的老鼠模型之间的脱节。 这种异体反应的物种差异一直是将啮齿动物研究的有希望的结果转化为人类应用的一大挑战。

氧和营养物扩散限制

伪基活化活化了β细胞中的活化信号,从而降低了岛体活性。 此外,岛体活化到最近的血管的有效扩散距离为150-200微米,但宏观囊径大于1000微米;这也导致胰岛素反应时间与宿主血糖变化的时间相差很长。

确保足够的氧气供应来封装黄体是一个关键的挑战。 黄体是高代谢活性组织,需要大量氧气才能正常运行。 在原生胰腺中,黄体血管化很强,血管与每个黄体细胞相接相近。 但是,封装在黄体和宿主血液供应之间形成了物理屏障,增加了氧气的传播距离,并有可能在胶囊内产生缺氧状况。

氧气扩散限制对于宏封装装置来说尤其有问题,因为单室内含有大量小岛. 装置中心所处的小岛可能离最近的血管相去甚远,导致装置内氧气梯度上升,这可能导致中央坏死,因为装置中部的小岛会因为氧气不足而死亡而导致周边附近的小岛存活.

增强微活性具有显著提高封装地峡生存性的潜力,已探索出各种策略来应对氧气限制,包括纳入出氧系统,促进周围装置血管化,并优化装置几何来将扩散距离最小化.

生物相容性和材料优化

生物材料在活体中的长期耐用性需要通过具体应用方式进行测试和优化,为翻译目的,封装材料/装置的生产需要符合医疗器械规范下的良好制造做法和ISO标准。

开发真正生物兼容的生物材料,长期而言,仍然是一个重大挑战。 在短期研究中表现良好的材料在植入数月或数年后可能会引起不良反应。 人体对被植入材料的反应会随时间而变化,最初温和的反应可能会发展到更严重的纤维化或物质退化。

此外,临床级封装材料的制造和质量管制要求十分严格,有许多用于封装能直接生产大批量的黄土的金本位生物材料,但是,确保大规模生产批次的质量、不育和性能一致,在技术和监管方面都面临重大挑战。

移植地点选择

移植地点的选择对封装岛移植的成功产生了重大影响。 不同的解剖地点在氧气供给、植入方便、可回收性和宿主免疫反应方面提供了不同的利弊。 腹腔由于其容量大且相对容易获取,因此得到了广泛的研究,但胶囊沉积和胶囊沉积的问题一直存在问题。

与一般腹膜空间相比,Z1-Y15球被移植到胸膜蛋白质场时,周膜纤维过度生长的分数进一步降低,这可能会通过限制球体发光来表明物质纤维化的减少. 在取回的Z1-Y15封装的子宫内膜上进行的体外评估表明功能性地膜内分泌组织,这进一步表明,胸膜蛋白移植场(pO2水平为35.0±3.2mmHg)在没有纤维过度生长的情况下,可以支持包装的子宫内膜,以确保自由的营养交换.

正在探索的其他潜在移植地点包括皮下空间、骨髓,甚至肌肉内部位置。 每个地点都提出了独特的挑战和机遇,确定封装岛移植的最佳地点仍然是积极研究领域。

规模扩大和制造业挑战

生产足够数量的封装岛供临床使用,对制造提出了重大挑战。 典型的岛移植需要数十万至数百万个岛,所有这些岛都必须以一致的质量封装。 对于微型封装方法来说,这意味着生产数百万个单个的微型封装岛,每个岛都符合大小、通透性和机械特性的严格规定。

封装岛产品的质量控制尤其具有挑战性。 每批必须测试岛体的可行性、功能、胶囊完整性、不育和免受内分泌毒素的影响。 封装过程本身可以使岛体紧张,有可能降低其生存能力和功能。 优化封装协议以尽量减少对岛体的损害,同时保持高吞吐量,是一个持续的挑战。

战胜挑战的新战略

研究人员正在积极制定创新战略以应对封装技术所面临的挑战。 这些新兴方法利用材料科学、生物工程、免疫学和细胞生物学的进步,创建出更有效的封装系统。

高级生物材料设计

基于以往的研究,一般使用一两种综合策略来保护 Islet graft 函数,一个多功能封装多功能的活体胶模型是发展前进的道路,随着技术的持续进步,聚合物的进一步改造应能实现更高程度的生物相容性.

下一代生物材料的设计具有多种功能特性,可以同时应对若干挑战。 这些多功能材料可能包含抗炎剂、亲阳性因子或免疫活化分子,以积极塑造宿主反应,而不是仅仅提供被动屏障。 对诸如去甲酸盐等传统材料的化学改造正在被完善,以最大限度地减少外体反应,同时保持机械稳定性和通透性。

研究人员也在探索更接近于胰腺自然细胞外基质的生物体材料。 通过结合本土岛地微环境中发现的特定蛋白质、生长因素或结构特征,这些材料旨在更好地支持岛地生存和功能。

共同封装战略

细胞间分泌细胞通过释放细胞基和生长因子来降低免疫反应,并有可能诱发血管起伏和修复被破坏的组织. 与支持细胞类型相接的同卵子代表着增强岛体生存和功能的有希望的战略. 细胞间分泌细胞,内皮细胞等支持细胞类型可以被包括在封存装置中,以提供营养支持,促进血管化,或调节免疫反应.

将细胞外基质成分,内皮细胞和血管内皮生长因子纳入生物相通,可以使印刷模型更类似于岛细胞活环境,从而增强它们的生物学功能. 将封装装置内形成更完整的微观环境的这一方法可以更好地支持长期岛体生存和功能.

三维印刷和高级制造

三维打印技术可以实现快制造吞吐量并保持高细胞活性. 总体而言,三维打印被认为是最有希望的封装方法之一,因为它可以在短时间内生产临床相关的多元件.

三维活化可以提供前所未有的控制封装装置的结构和组成。 这一技术可以创造复杂多层结构,精确控制孔径大小、材料组成和不同细胞类型的空间安排。 活化可以产生最优化的几何形状,最大限度地缩小扩散距离,同时最大限度地提高机械稳定性。

使用3D打印快速地原型和测试不同设备设计的能力能加速开发过程. 研究人员可以通过多设计变异来快速地去除,以识别特定应用的最佳配置. 此外,3D打印还可以使个性化设备设计能够适应个人患者的需求.

与基因编辑合并

这种方法得到了基因编辑技术的进步的推动,比如CRISPR-Cas9,它使得免疫相关途径的精确改变能降低遗传免疫力. 假发病工程有可能重新定义细胞疗法的治疗面貌,如岛移植.

将封装与基因编辑结合起来以产生下位免疫岛是一种强大的协同方法。 免疫源性降低的基因编辑岛可能需要更弱的免疫保护,从而允许更薄的封装障碍更好地支持氧气和营养的传播。 或者,封装可以为基因编辑细胞提供多一层保护,从而进一步降低免疫排斥的风险。

岛细胞过量地表达出PD-L1提供了持续的血糖聚糖活性,人类C-活性水平与甘油控制相接超过50天. 用于表达PD-L1等免疫活性分子的工程小岛可以帮助形成一个局部免疫抑制环境,以补充封装提供的物理屏障.

氧气输送系统

正在开发确保充足氧气供应的创新方法,以解决封装中最关键的局限性之一。 除了前面提到的氧气生成装置外,研究人员还在探索氧气携带材料、全氟碳基氧气输送系统以及促进植入周围快速血管化的装置设计。

一些方法涉及血管前分泌策略,即植入地在植入封装地之前预先准备促进血管形成,这有助于确保自植入地起就有足够的血管网络支持被封装地.

免疫模拟方法

近期在岛体移植方面的进步来自岛体封装装置、生物材料平台释放出免疫模拟化合物或表面被免疫调节的胶带所改造、岛体工程和与附属细胞的同源移植。

下一代封装系统并非仅依靠物理障碍,而是在结合活性免疫模拟器策略。 这些策略可能包括控制活性免疫模拟器药物的释放、在胶囊表面吸收免疫模拟器分子、或工程胶囊材料本身具有免疫模拟器特性。 这些方法通过积极调节局部免疫环境,旨在防止外体反应并提倡长期生物相容性。

未来方向和临床翻译

避免慢性免疫抑制的风险是下一个前沿。 已经进入或正在接近临床调查的几种策略,包括免疫隔离岛、工程免疫优先岛植入点、使岛免疫可避免以及诱发移植岛的免疫耐受性。 封装岛移植领域正处于令人振奋的关头,有多种有希望的方法正在向临床应用迈进。

监管途径和核准

浏览封装岛产品的监管环境带来了独特的挑战,这些产品将生物成分(岛)与医疗器械(封装系统)结合起来,需要仔细考虑这两个方面的监管要求,监管机构不仅要评估封装岛的安全性和有效性,还要评估封装材料和器械的生物兼容性和性能.

作者们讨论了批准的重要性以及扩大患者获取机会所必须的关键步骤,如扩大生产、临床整合、报销框架、营销后监控和患者教育举措。 批准LANTIDRA已经确立了重要的先例和途径,这将有利于监管对今后封装的岛类产品的批准。

解决捐助方短缺问题

NIDDK目前正在支持研究,以确定胰岛素生产细胞的特性并产生新的来源,并消除免疫抑制药物的需求。 为了帮助解决地壳缺乏的问题,正在研究一项NIDDK支持的里程碑性发现,即先天细胞可用于生产实验室中的大量β类细胞。

通过干细胞技术开发无限制的胰岛素产细胞来源,再加上封装来消除免疫抑制的需要,最终可以使岛移植成为广泛可用的治疗选择。 随着干细胞技术的进步,无限制干细胞衍生出的小岛体可以在体外区分,并在不同临床动物模型中在活体中被证明是有效的。 因此,干细胞衍生的小岛体成为人类初级小岛体的一种有希望的替代物。

干细胞衍生的岛与先进的封装技术相结合,也许是全世界数百万患有一等糖尿病的人能够利用岛移植的最有希望的前进道路。 这一方法既解决了当前岛移植的主要局限性:捐赠岛短缺,又需要长期免疫抑制。

个人化的医学方法

未来的封装岛疗法可以包括个性化的医学方法,根据病人的特征来进行治疗,这可以包括使用自发干细胞衍生岛来消除多基因免疫反应,根据病人解剖情况定制装置设计,或者根据个人免疫特征选择特定的封装材料。

使用患者特异性诱导多能干细胞来产生自发性黄体是一种令人振奋的可能性。 虽然这种方法比使用自发性细胞更加复杂和昂贵,但有可能消除自发性免疫的排斥,特别是结合适当的封装和免疫策略。

扩展超过 1 型糖尿病的应用程序

宏观封装装置已被证明应用于心血管疾病和CAR-T细胞疗法,并显示出有希望的结果。 这些临床试验突出了这种疗法在糖尿病以外的广泛应用。 正在开发的封装技术在岛状移植方面有潜在应用,远远超出一型糖尿病。

封装可以使细胞治疗能够满足多种条件,包括其他内分泌障碍、神经疾病、肝衰竭和癌症。 正在改进的岛封装原则和技术可以被改造,以保护和提供多种不同类型的治疗细胞。 因此,岛封装的成功可以催生细胞医学的更广阔革命。

长期愿景

还需要取得更多进展,以便在不阻碍营养运输和治疗性地在类似当地胰腺微环境的恰当设计封装基质内实现更好的岛内免疫隔离。 此外,还需要更多使用更大型动物模型的临床前试验的疗效研究,因为体外和临床前啮齿动物研究往往不会转化为人类的反应。 最后,仔细优化封装技术将加快临床翻译和常规应用,作为糖尿病治疗方案。

通过整合从电气工程到免疫学等学科的专业知识,研究人员可以开始应对从实验室到诊所翻译封装细胞疗法所涉及的多重挑战。 未来的成功需要合作的意愿,将新的“device”技术与“细胞”技术相结合,并了解必须存在人类细胞疗法的生物环境的局限性。

封装岛移植的最终愿景是一次性程序,它可以长期甚至永久恢复正常的葡萄糖控制,而无需胰岛素注射或免疫抑制药物。 尽管仍然存在重大挑战,但近年来取得的显著进展表明这一愿景越来越可以实现。 持续的研究、临床试验和封装技术的完善正在使我们更接近于使这种转型治疗成为一等糖尿病患者的现实。

结论

封装技术是治疗一等糖尿病最有希望的前沿之一。 通过提供保护屏障,保护移植的岛细胞免受免疫攻击,同时允许营养、氧气和胰岛素的通过,封装有可能消除慢性免疫抑制的需求,而这是防止移植岛细胞成为广泛治疗方案的主要障碍之一。

该领域从1960年代托马斯·常的早期概念工作到今天的精密封装系统都取得了显著进展,其中包括先进的生物材料、基因编辑细胞、氧气输送系统和免疫机能战略。 临床试验表明,封装的岛可以存活、功能和提供病人的甘油控制,验证了基本概念,同时也揭示了必须克服的挑战。

巨大的障碍依然存在,包括外体反应、纤维化、氧气扩散限制以及改进生物相容材料的需求。 但是,研究人员正在通过先进的生物材料设计、3D打印、联合封装策略以及将封装与基因编辑和免疫融合的组合方法,积极开发应对这些挑战的创新解决方案。

多种技术进步 — — 包括干细胞衍生的岛、精密封装系统、基因编辑和先进制造 — — 的融合正在创造前所未有的机会,最终实现岛移植的全部潜力。 如果与干细胞技术产生的胰岛素细胞无限来源相结合,封装可以将岛移植从只提供给一小部分患者的治疗转变为广泛获得的治疗,使数百万生活在一等糖尿病中的人们受益。

随着研究的继续和临床试验的推进,通过封装岛移植治疗一型糖尿病的功能性治疗梦想正变得越来越明显。 尽管挑战依然存在,但迄今为止取得的进展为人们提供了强烈的理由,让人乐观地认为封装技术在未来糖尿病治疗中将发挥核心作用,并有可能出现许多其他可被细胞治疗的疾病。

关于岛移植和糖尿病研究的更多信息,请访问国家糖尿病和消化和肾病研究所[,美国糖尿病协会,JDRF,Nature的岛移植研究,以及免疫学前沿,了解这一迅速演变的领域的最新发展。