理解捐赠者岛屿小组及其临床作用

对于1型糖尿病患者来说,胰岛素生成的β细胞的丧失会把常规的生物功能转化为恒定的医学微积分. 血糖水平的升高或下降会带来从神经病到昏迷等一系列并发症。虽然外来胰岛素疗法仍然是治疗标准,但无法复制健康的胰腺的实时反应。 移植捐赠者岛细胞提供了一些根本不同的:活体胰岛素工厂能感知葡萄糖并释放胰岛素,其数量精确地说,这一程序使上千患者得以实现胰岛素独立,有时持续了几年。 然而,从捐献胰岛素到接受者体内的功能分泌,其途径包括复杂的事件链,每一个事件都对成功至关重要。 文章对捐赠者岛细胞进行了详细的检查,确定了兼容性、必须克服的免疫障碍以及有望重塑田园的新兴技术。

什么是捐赠岛细胞?

胰腺是一种位于胃后大约6英寸长的器官,它从事两种不同的活。 它的外分泌组织产生消化酶,而它的内分泌组织——兰格汉斯的分泌——则产生调节新陈代谢的激素。 尽管只占胰腺总量的一至2%,但黄素却被密集地装入专门细胞,协同工作维持葡萄糖顺位性。 单人胰腺含有约一百万个分泌地,每分泌地直径在50至200微米之间。

每个岛是一个包含若干个具有不同功能的细胞类型的微生物:

  • Beta细胞 构成岛细胞的50%到70%,是体内胰岛素的唯一来源,它们能感知出血糖水平,并以双脂质模式释放出胰岛素:一餐后几分钟内快速的第一阶段,然后持续到葡萄糖回归基线的第二阶段.
  • 阿尔法细胞[产生克卢卡贡,即通过刺激肝脏中克卢克素分泌来提高血糖的反调控激素. 健康的α细胞功能对于预防下游性贫血至关重要.
  • Delta细胞 分泌出出蛋白蛋白,在当地作用来调节胰岛素和克卢卡贡的释放,在岛内微环境内提供微调.
  • PP细胞[产生胰多肽,一种激素,涉及食欲调控和消化功能.

在一型糖尿病中,免疫系统错误地将β细胞识别为异体细胞,并通过自体抗体和细胞毒性T细胞的结合来摧毁它们。一旦80%到90%的β细胞丢失,血液糖调节就会失效。患者会依赖外出胰岛素生存。岛移植会用死亡捐献者的健康β细胞来取代这些已丢失的细胞,恢复了身体因糖分波动而产生胰岛素的能力。 其结果可能是变革性的:曾经生活在长期恐惧下血糖分泌的患者会经历稳定的血糖分泌水平,而且在许多情况下完全可以避免胰岛素注射。

孤岛隔离进程

移植整个胰腺是一种选择,但这是具有重大风险的主要手术程序。 相反,岛移植是一种侵入性最小的输液。 然而,从胰腺中取出黄岛是一个技术上要求很高的过程,必须在很紧的时间内完成。

治疗程序以pancreas恢复为起点,捐献者胰腺被外科切除并被送往经认证的岛地隔离设施,寒血时间——器官恢复和隔离之间的时间——必须被保存在8至10小时以维持岛地生存能力,胰腺被用冷保存溶液浸出并被装入无菌容器中。

在隔离设施,胰腺会发生酶消化. 凝胶和中性蛋白被通过胰腺管注入来分解在外分泌组织内所持有的细胞外基质。这种消化在显微镜下受到仔细监测;如果进行得太远,则会损坏这些分泌物本身,但如果不够,则会被排入周围组织。消化过程大约需要15至30分钟,一旦排出这些分泌物,就会被稀释和冷却所阻止。

由此产生的消化液包含一个小岛、外出细胞和碎片的混合物。 利用密度分级离心法实现纯化[。消化液分层为密度不同的梯度(通常使用菲科尔或碘醇)和高速突起。与外出细胞相比,同位素密度小,在特定的界面收集,并且可以被高纯度地收割。现代的净化系统可以达到80%至95%的纯度,尽管一些污染外出细胞组织是可以接受的,甚至可以为外出细胞提供营养支持。

净化后, 岛铺设要经过严格的质量评估 [[FLT: 0] 。 技术员要计算岛铺并转换成岛铺等量( IEQ), 以规范岛铺大小。 使用荧光染料来评估可行性, 区分活细胞和死细胞; 通常需要至少70%的存活能力。 进行节能测试, 测试糖刺激胰岛素分泌物, 以确认功能。 只有符合所有标准的制剂才释放用于移植。

从胰腺恢复到最终产品释放的整个过程需要6到12小时,最终产品是细胞悬浮,视捐赠者特点和隔离效率而定,包含25万至100万个IEQ. 小岛几乎立即被注入到受援者体内.

关键匹配进程

将捐赠者岛细胞与接受者匹配需要多层次的相容性评估,这与固体器官移植有很大不同。 因为岛被移植为细胞移植,免疫系统在独特的背景下遇到它们。 通常注入了岛的肝脏是一种免疫活性器官,捐赠者岛细胞与接受者免疫细胞之间的即时互动可以决定移植是否存活或被摧毁。 不良的匹配会导致快速拒绝,失去移植,以及使未来的移植更加困难的敏化。

ABO 血型兼容性

最基本的要求是ABO兼容性。捐赠者岛携带血型抗原的表面,接受者先前存在的抗原抗体在几分钟内会引发高血压排斥。这是管理输血和固体器官移植的相同原则。 O型接受者只能接收O型地岛,而A型接受者可以接收A型或O型地岛。 B型和AB型接受者遵循类似的规则。 大多数移植中心都严格遵守ABO兼容性,尽管少数中心已经探索过ABO-不兼容地岛移植,使用等离子体和免疫抑制来降低抗体水平,这与肾脏移植中使用的协议相似。

HLA 匹配

人类的leukocyte抗原(HLA)系统是第二大相容因子. HLA分子是细胞表面蛋白质,向T细胞呈现出抗原分出出自自体,使免疫系统能够区分自体与自体. 关键 Loci是HLA-A,HLA-B,和HLA-DR. 每个人继承了每个基因的两份(每个父母各一份),结果最多可打出6个抗原.

将这些抗原与捐赠者与接受者之间的匹配降低了T细胞介质排斥的风险,并改进了长期生殖器存活。 来自合作岛移植登记(CITR)的登记数据表明,高血压水平与胰岛素独立率的关联性较高。然而,高血压水平与肾脏或骨髓移植的匹配性相比,难度较低。 因为受感染者需要免疫抑制性药物,因此许多方案接受适度的不匹配性 — 典型的六分之三或四的匹配性,而不是要求完美的兼容性。

其原理是务实的。 岛地隔离的捐赠者群体已经受到严重限制。 要求完美的高水平水平匹配将排除大多数潜在受援者,并且不一定能够改善结果,从而证明延长等待时间是合理的。 目标是在最大限度地减少拒绝风险的同时实现移植的最大化。

捐助方- 接受方规模匹配

岛剂量表示为每公斤受体体重的岛状等同物(IEQ/kg]),实现胰岛素自给的目标剂量至少为5,000 IEQ/kg,尽管一些中心的目标是10,000 IEQ/kg或更高,对于一个70公斤的受体,5,000 IEQ/kg就意味着来自一个捐助者的350,000 IEQ,然而,许多受体要求两个甚至三个受体的岛状达到目标剂量,特别是如果受体较小或隔离产量低于理想。

影响岛屿产量的捐赠者特征包括年龄、体质指数和胰腺健康。 年龄在20至50岁的捐赠者往往产生出最强的岛屿。 超重范围(25至30岁)的生物成份通常有较大的、具有较多的岛屿质量的花瓶,但肥胖症(35岁以上的生物成份)的捐赠者与减少的岛功能和隔离失败的风险有关。 骨质疏松症(胰腺肥胖症)的捐赠者也不太理想。 精心挑选捐赠者对于最大限度地实现功能性移植至关重要。

收件人敏感性

曾经做过移植、输血或怀孕的患者可能具有预先形成的抗HLA抗体。 这些抗体是通过面板反应抗体(PRA)检测出来的,该检测通过量度接受者抗体反应的标准的捐赠方抗原面板的百分比。 高敏度(PRA高于80%)的患者对多种HLA型有抗体,因此很难找到相容的捐赠方。

对于敏感化的接受者来说,匹配过程变得更加复杂。移植团队必须确定接受者的抗体抗体与抗原抗体抗体抗体的特性,并排除携带这些抗原的捐赠者。虚拟交叉匹配 — — 一种基于计算机的对兼容性的预测,使用HLA打字和抗体特异性数据 — — 已经成为了这方面的标准工具。 在某些情况下,使用等离子体圈、静脉免疫球蛋白或B细胞耗竭剂的去敏化协议可以降低抗体水平,从而能够进行移植。

额外的匹配因素

除了核心相容性因素之外,还有其他几个因素影响匹配决定:

  • 需要的紧急性 — — 糖尿病、反复出现的严重低血糖或低血糖性不明显患者被置于优先地位。 这些患者面临危及生命的事件,并且从移植中得益最大。
  • 等时间 – 分配系统考虑病人在等名单上待了多久,较长的等时间越来越优先.
  • 近地分布 — — 岛地冷的异地血症时间以8到10小时为限。捐赠者和接受者必须距离此窗口内将孤立的同地岛迁移到移植中心。 这一限制意味着主要岛地隔离中心的附近病人有更好的通道。
  • 捐赠者健康筛查 — — 捐赠者接受传染病(艾滋病毒、乙型和丙型肝炎、细胞细胞病毒、爱泼斯坦-巴尔病毒)、活性感染、癌症风险和代谢条件的检测。 捐赠者若有2型糖尿病或糖耐受性受损的历史,则不合适。

免疫抑制和拒绝预防

即使进行了最佳匹配,接受者的免疫系统也会承认捐赠者岛是异地的。 防止拒绝需要终生免疫抑制,而岛移植中使用的药理不同于固体器官。 岛移植的独特特征是细胞而不是血管化,它们被注入出入口静脉,它们既容易被排出排出,又容易被反复出现的自免疫性所影响。

《埃德蒙顿议定书》

2000年以前,岛移植的成功有限,只有10%左右的接受者实现了胰岛素独立,随着艾伯塔大学引入了"埃德蒙顿协议"而改变,这个治疗方法将无类固醇免疫抑制协议与精心选择病人和高质量岛素制剂结合起来。

  • Sirolimus (rapamycin) – 一种mTOR抑制剂,通过干扰间列克因-2信号来阻断T细胞扩散.
  • Tacrolimus – 抑制T细胞细胞细胞活性生成的钙氨酸抑制剂.
  • Daclizumab – 抗IL-2受体α链的单克隆抗体,被作为诱导疗法来消耗移植时活化的T细胞.

埃德蒙顿协议在一年中实现了80%以上受药者胰岛素独立,这明显改善。 然而,长期后续发现的挑战:岛素功能随时间推移而下降,许多患者也经历了包括口溃疡、腹泻、水肿和肾上腺毒性在内的免疫抑制药物的副作用。 随后的修改用许多中心的肌外膜软体膏取代了西罗利穆斯,而巴西利克西马布(已经不再具有商业用途 ) 。 一些中心现在使用白喉这一可同时刺激的阻塞剂,它可能具有更好的肾上安全特征。

封装和免疫外逃

终生免疫抑制的需求是更广泛地采用岛地移植的一个主要障碍。 药物增加了感染、恶性肿瘤和器官毒性的风险,并且被一些病人所容忍。 研究者长期以来一直在寻找方法来保护岛地免受免疫系统的影响,而无需系统性免疫抑制。 封装是最积极调查的方法。

这一原则是直截了当的:将岛装装入半透膜,允许葡萄糖和胰岛素自由通过,但会阻断免疫细胞和大型抗体。

  • Macroencapulation — — 一个较大的设备,常常类似平平的邮袋或圆盘,可以放入皮肤下或腹腔中。 该设备有上千个小岛,必要时可以回收。 从ViaCyte(现为Vertex药业的一部分)到临床试验中,最先进的宏观封装设备已经测试,并显示支持了Ilet生存,尽管功能细胞的数量有限。
  • 微缩胶囊[ – 每个岛被单独涂入薄薄的藻层中,这是从海藻中衍生出的一种生物相容的聚合物. 微缩胶囊(通常直径为300至500微米)为高效扩散提供了高地表-体积比. 早期临床试验表明微缩胶囊能够存活数月而不受免疫抑制,但长期功能仍然受到纤维化和氧气供应的限制.
  • Layer-by-layer 封装 – 纳米级涂层使用电荷聚合物的交替层来应用到岛面上,这种方法可以精确控制涂层的厚度和通透性并最大限度地缩小扩散距离,它仍在临床前开发中,但在降低胶囊体积和改善营养交换方面提供了理论优势.

封装面临的主要挑战是氧气供应、纤维化(用疤状组织涂上胶囊的外体反应)和涂层材料的耐久性。 岛的代谢需求高,需要高于大多数植入地的氧气浓度。 解决该问题的战略包括纳入产生氧气的生物材料或共同封装氧气载体。 尽管存在这些障碍,封装仍然是低风险岛治疗最有希望的途径之一。

限制更广泛应用的挑战

尽管岛屿移植取得了成功,但该领域仍然面临很大障碍,无法成为治疗一等糖尿病的主流。 理解这些挑战对于了解研究方向至关重要。

捐助者短缺

在美国,约有150万人患有一等糖尿病,但每年只有不到2 000名死亡的捐献者适合与岛屿隔离。 许多捐献者因捐献者年龄过小(不到10岁)或年龄过大(60多岁 ) 、 血小血管疾病、长期性冷血症时间、或胰腺炎等根本健康问题而放弃。 结果是严重的供求不匹配,限制了少数符合条件的患者的移植。

这种短缺促使人们努力寻找替代的细胞源。 如果能够生产可靠、无限的功能性岛细胞,那么捐赠者的短缺将成为历史脚注而不是决定性的制约。

长期

即便移植成功,岛体功能也往往随时间而下降。 来自合作岛移植登记册的登记数据表明,50-70%的接受者在一年时仍然依赖胰岛素,但这一数字在五年后下降到了30-50%。 到了十年,大多数患者恢复了某种程度的胰岛素使用,尽管他们往往保持了与移植前水平相比的更好的甘油控制。

慢性甲状腺素的排出现象是多因素的。 慢性甲状腺素的排出现象甚至会因免疫抑制而发生。经常性自体免疫可以针对移植的β细胞。免疫抑制药物,特别是白喉等钙素抑制剂,对β细胞有直接的毒性影响,并可能损害胰岛素分泌。 有限的岛体质上高代谢需求会导致β细胞耗竭和人口疏松。 而肝脏环境,即黄肠杆菌被排入,其氧气张力相对较低,可能导致长期重症。 提高耐受性需要同时解决所有这些因素。

未来方向和新兴技术

研究的几条一致路线有望克服捐赠者岛移植的局限性,并有可能改变1型糖尿病的治疗。

已安装的单元

该领域最令人兴奋的发展是多能干细胞产生胰岛素生成β细胞的能力. 2014年由道格拉斯·梅尔顿(Douglas Melton)领导的哈佛大学研究人员发表了一项里程碑式的研究,显示人类胚胎干细胞可以通过一系列分化步骤来被引导成为功能性β细胞,这些细胞对葡萄糖进行分泌,从而可以对胰腺形成正常的发育阶段进行再概括,从而形成细胞表达出关键的β细胞标记并显示体外和活体中葡萄糖刺激胰岛素分泌.

之后,几家公司将干细胞衍生出岛体推进到临床使用. Vertex制药公司启动了与VX-880的临床试验,后者产自多基因干细胞,可分化为完全成熟的干细胞. 早期的结果是显著的:第一例患者在一次输入后获得了胰岛素独立,C-pptide生产强劲,并具有出色的甘油控制能力. 患者需要免疫,但结果证明了干细胞衍生出岛体在人类中可以发挥作用的概念。

Vertex公司也在研发VX-264,它将干细胞衍生的岛与封装装置相结合,以消除免疫抑制的需要。 这一产品处于早期临床试验阶段。 如果成功,它可以代表任何1型糖尿病患者都可以使用的变革疗法,而不管捐赠者是否可用。

干细胞衍生的黄细胞的优点很大,可以以一致的质量无限量地生产,可以设计来减少或消除免疫性,还可以标准化,以确保每剂都含有一定数量的功能细胞。 挑战仍然显示出长期的安全性和有效性,特别是在(来自残留无区别细胞)致畸瘤形成的风险和功能耐久性方面。

基因编辑和通用捐助单元格

正在将CRISPR-Cas9和其他基因编辑工具应用于捐赠地和干细胞衍生地以减少免疫性,目的是创造普遍的捐赠细胞,可以移植到任何接受者身上,而不会引发免疫反应。

  • Knockout of HLA分子[ – 消除HLA类I和II类分子会阻止T细胞识别,然而,这也使得细胞易受自然杀手细胞(NK)的伤害,而自然杀手细胞(NK)细胞识别缺乏HLA. 需要额外的工程来表达NK细胞抑制结膜.
  • 免疫隐形分子的被压迫 – CD47,一种细胞表面蛋白质,能向宏phages表示"不吃我",可以被过度表达来保护被移植者免受先天免疫破坏.
  • 侵入保护性转基因 – 赋予活性细胞基的抗药性(如IL-1受体对抗体或抗活性蛋白质)的基因可以被引入来帮助岛屿在敌对的移植环境中生存.
  • Hypoimmune Islets — — 一些团体设计了I和II级HLA岛,表示HLA-E(抑制NK细胞),并过度表达CD47。 在动物模型中,这些低等活了几个月,没有免疫抑制。

干细胞技术和基因编辑相结合,可以创造出现成的、普遍的捐赠者小岛,可以移植到任何患者身上而不受拒绝。 这将消除捐赠者的短缺和免疫抑制的需要,解决该领域最大的两个问题。

替代移植场所

肝脏自"埃德蒙顿协议"制定以来,一直是叶叶输血的标准场所. 门户静脉通过最小侵入性导管程序可以进入,而肝脏为叶叶活化提供了支持性环境. 然而,肝脏还远非理想. 肝脏鼻索素的氧紧张度相对较低,这会导致叶叶活化症和细胞死亡. 肝脏还使叶叶生化物暴露在高浓度的免疫抑制药物和口服药物的第一通道代谢中. 肝脏活化很难,无法对衰竭的支取物进行基本不可能.

研究人员正在探索其他移植场所,这些场所可为岛屿的生存和功能提供更好的条件:

  • 眼球(FLT:0) — — 腹部脂肪膜的眼球已经形成为领先的候选物。 心球血管高度血管化,可以视地进入,必要时可以进行取回。 地心叶可以被种子到可生物降解的脚手架上,放入骨髓上,并被刻入并进行血管化。 使用全真场的临床试验显示结果很有希望。
  • 下皮空间 — — 下皮植入是最没有入侵性的选择,但该地的血液供应有限,易被纤维化所感染。 研究人员正在开发在岛移植前使用生长因子或临时植入物进行先入后入的预血管化方法。
  • 眼外室 – 眼外室是一个免疫优待场所,其氧气张力高,对外室的视觉监测也比较容易。 移植入外室的岛体可以使用显微镜进行非侵入性观测,为外室提供入地功能的窗口。 这种方法仍然具有实验性,但为研究提供了独特的优势,并有可能用于临床。
  • 骨髓 — — 骨髓是另一个被实验使用过的免疫优待地. 插入骨髓的活化物在动物模型中已经显示出了活化和功能.

理想的移植地点将提供高氧张力,便于植入和监测,防止免疫攻击,以及必要时回收移植的能力。 目前没有一个地点符合所有这些标准,但肿瘤似乎最接近临床收养。

临床结果和病人可以预期的

对考虑异地移植的患者来说,现实的期望至关重要。 程序并不能治愈一型糖尿病,但能够大大改善甘油控制及生活质量。 最好的结果是,接受足够异地剂量(至少5,000 IEQ/kg)的患者具有良好的HLA配对,并坚持其免疫抑制药。

岛移植的首要目标是恢复低血糖意识并预防严重的低血糖事件。 即使是在未完全实现胰岛素独立的病人中,大多数患者的低血糖频率和严重程度都大幅下降。 高血糖水平通常会得到改善,患者报告生活质量有所改善,糖尿病相关痛苦减少,日常活动也更加自由。

然而,岛移植并非没有风险。 输液程序可能导致出血、门户静脉血栓和肝酶升高。 免疫抑制会带来感染、恶性以及药物特有副作用的风险。 长期耐受性仍然有限,大部分患者最终恢复了胰岛素使用。 出于这些原因,目前,岛移植只针对重发性重度高血糖症或低血糖症的患者,尽管医疗管理得到了优化。

结论

捐赠者岛细胞移植是过去20年治疗一型糖尿病方面最显著的进步之一,这一程序恢复了胰岛素独立,并大大改善了上千名患者的生活。 配对过程——包括血型、HLA相容性、岛剂量和受体敏化——是一个精心校准的系统,旨在在严重有限的捐赠者群体限制下最大限度地使移植存活。但目前的治疗仍然是桥梁而不是目的地。对已故捐赠者的依赖和终生免疫抑制的需要限制了它对少数合格患者的应用。

岛地移植的未来取决于三种趋同的技术:干细胞生物学、基因编辑和封装。 从干细胞产生无限数量的功能性岛地细胞的能力,加上基因工程使其不为免疫系统所覆盖,可以产生现成的产品,任何患者不需要免疫即可获得。 临床试验已经开始,早期结果也有望。 尽管挑战依然存在 — — 特别是在长期耐受性和安全方面 — — 轨迹是明确的。 当一个可靠、免疫-避去的岛地产能够提供给任何患有一型糖尿病的患者,从而将疾病从终身负担转变为可控制的状况时,这一天可能很快来临。

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