保持细胞疗法

很少有医学发现的持久的影响,发现由一个多学科的研究小组在多伦多,加拿大,100年前的这个月。1921年11月,研究小组从胰腺分离出一种物质,可以控制血糖水平。1922年5月由礼来公司已经开始大规模生产的物质——名为胰岛素。

1型糖尿病发病通常发生在儿童时期(近年来)。胰岛素注射前,几个孩子开发疾病后居住超过一年或两年的诊断。20世纪初,研究人员建立了,近年来出现了一种神秘物质不再由胰腺的胰岛细胞。动物胰脏提取甚至显示潜在的糖尿病患者的血糖控制,尽管他们为经常使用造成太严重的副作用。

加拿大外科医生弗雷德里克·班廷胰腺提取怀疑问题可能与胰腺也生产口服酶、胰蛋白酶。实验室的多伦多大学生理学家约翰·麦克劳德,班廷和一个小团队开发了一种方法来杀死胰腺细胞,酶提取胰岛素的胰岛细胞。

发现了糖尿病严重、致命的疾病变成一个温和,可控制状态——发现的1923年诺贝尔生理学或医学奖。如前所述,然而,工作还是要做。我们不能想象,胰岛素能治愈糖尿病,”约翰Sjoquist诺贝尔委员会成员诺贝尔颁奖典礼的演讲。

即使是最新的胰岛素泵技术,近年来患者血糖水平尚未得到完全控制。从长远来看,将糖尿病患者血糖波动风险的健康状况从一眼损失慢性足溃疡。胰岛素注射技术无法匹配的响应能力、效率和精度的胰岛细胞释放胰岛素使血糖水平受到严格监管。

主要的挑战一直是移植细胞免疫排斥

所以越来越多的科学家正在细胞本身,发展材料策略使移植的胰岛细胞功能最终的长期控制条件。如果这些策略被证明是安全有效的,那么人们广泛的其他健康问题,骨质疏松症和癌症,也可以将受益。

抑制订单

尝试使用胰岛细胞移植治疗糖尿病有很长的历史,生物医学工程师亚历桑德罗·Grattoni指出在美国休斯顿卫理公会研究所。移植细胞一直感兴趣的多年来,特别是糖尿病,”他说。试图移植胰岛细胞报道早在1893年,发现胰岛素之前,近20年。

主要的挑战一直是移植细胞类似于移植器官:他们受到免疫排斥,“Grattoni说。免疫系统迅速摧毁了植入细胞。

许多免疫抑制代理实际上是对胰岛细胞的毒性

现在广泛应用,一种选择是治疗胰岛细胞移植以同样的方式作为一个整体器官移植,与接受者服用抗排斥免疫抑制剂药物的他们的生活。2000年,阿尔伯塔大学的一个小组在埃德蒙顿,加拿大,开创了一种胰岛细胞移植手术策略的细胞被注入到主要的肝门静脉。埃德蒙顿协议已经进行了超过1500次在世界范围内,和一些胰岛细胞收件人保持胰岛素独立十年或更长时间。

然而,这种方法有明显的缺点。“不幸的是,抗排斥治疗严重的不利影响”,Grattoni说。免疫功能不全的病人,让他们在传染病的风险更高,以及某些肿瘤发展。

的上下文中的胰岛细胞移植,免疫抑制是令人讨厌的,”安德烈斯·加西亚说,乔治亚理工学院的生物工程师,我们。收件人”以及非常严重的后果,许多免疫抑制代理实际上是对胰岛细胞本身有毒,”他补充道。“有证据表明,一些药物可能导致胰岛素抵抗,所以不仅对病人不利影响贪污。”

加西亚和Grattoni越来越多的研究人员探索新策略来保持移植胰岛细胞免受免疫系统攻击抗排斥药物不通过。

障碍的方法

而不是采取批发免疫抑制,另外一个策略是让植入体内的细胞和免疫细胞分离。的最初的尝试,试图保护细胞在一个物理屏障,阻止免疫细胞从主机和摧毁植入移植物,“Grattoni说。当时的想法是将胰岛细胞半透密封剂材料允许分子,而不是细胞,进进出出。植入细胞可以执行葡萄糖传感和胰岛素释放,并得到他们所需要的营养和氧气,同时保持安全的免疫细胞。

最彻底的密封剂材料海藻酸,一种从海藻中提取的多糖或藻类很容易交联形成凝胶密封剂集群的胰岛细胞。尝试植入alginate-encapsulated胰岛细胞年代可以追溯到1960年代。这种方法有一些承诺,是探索这一天,“Grattoni说。

海藻酸胰岛细胞微胶囊和相关生物材料密封剂,加西亚在糖尿病小鼠,工作很好笔记。很多工作,几十年来,表明这些方法适合小型啮齿动物,但他们真的面临挑战你进入更大的动物,”他说。但他们还必须克服植入人体的反应。

“一个大的挑战是,所有材料被认为是外国在体内,“Minglin Ma说,纽约州康奈尔大学生物材料生物工程师,我们。在体内的异物会导致反应时植入。的反应开始于炎症反应,免疫细胞被吸引到外国材料,试图将其分解。在抵抗这种降解植入物,成纤维细胞开始包裹材料,形成物理屏障隔离从身体的其他部位。

一些材料引发比其他人更强的反应。响应也因物种而异,但明显在更大的动物和人类,老鼠。反应对病人造成重大不适,与各种并发症,导致移植失败至少部分窒息它从身体的其他部位。“fibrosed设备本身时,这些设备通常工作得不太好,”马说。

海藻酸高纯度形式,往往会触发一个相对温和的异物反应,马说,他的材料用于胰岛细胞植入设备。但反应并不完全消除,他补充道。

异物反应会加剧三分之一胰岛细胞移植的主要复杂因素,即胰岛细胞需要一个优秀的血液供应。“vascularised本机胰腺非常非常好,”马说。在短期内,血液供应快速葡萄糖传感动力学很重要,尽快释放胰岛素的人吃。

然而,可怜的血液供应也有胰岛细胞移植的长期问题。这些细胞的新陈代谢非常活跃,需要有良好的接触氧气,营养物质和废物处置,”加西亚说。细胞得到营养和氧气供应不足逐渐死亡,缩短植入的工作寿命。最近,该领域已经意识到细胞需要直接vascularisation表现良好和长期生存,“Grattoni表示同意。

尽管在胰岛细胞移植的历史悠久,解决方案尚未实现,克服了复杂问题的同时保持植入小岛高度融入血液供应,然而免受免疫系统的攻击没有采取系统性免疫抑制,同时避免引起异物反应。

但新一波的细胞植入的概念和方法将克服这些问题出现。

建立联系

以确保足够的血液供应,最终的方法可以直接植入封装细胞在血管内,是现在完成了埃德蒙顿协议主要门静脉注入未密封的细胞。

这种方法的挑战是,它必须小封装细胞植入,解释了纳撒尼尔·黄在韩国首尔国立大学。与海藻酸封装直径通常是大约500µm,”黄说。“你不能注入这血管,它太大了。你需要把一层非常薄的封装和没有任何成功的方法。

使用一个黄正在努力克服这个问题多层水凝胶nanofilm胰岛细胞的外套小集群。“化学很简单,”他说。的细胞膜本身是高度带负电荷,所以你可以用一个积极的聚合物和它将组装表层。黄然后添加一个带负电荷的聚合物,这种在第一层,重复,直到达到所需的厚度。

使用6层乙二醇壳聚糖,透明质酸作为两种聚合物,研究小组创建了一个封装层厚约140海里。整个构造的关键一步是enzyme-driven交联。每个聚合物包含酚侧链,可以转换成昊图公司醌类使用酪氨酸酶氧化酶酶。

结果细胞涂层被证明是强大的,和选择性的分子可以交叉。低分子量的分子如氧气、营养物质,葡萄糖和胰岛素自由通过,但更大的蛋白质被封锁。因此,免疫细胞本身,但也的炎性细胞因子释放,被封锁的条目。在小鼠中,移植保持血糖水平控制超过30天。

到目前为止,我们还没有看到我们的材料造成任何纤维化反应,”黄说。成纤维细胞在肝脏的缺乏,以及透明质酸作为外层的使用,应有助于减少异物反应,他补充道。

密封剂可能特别适合移植的胰岛细胞来自动物如猪、一条正在探索将从人类胰岛细胞捐献者的严重短缺。如果你可以从免疫系统完全屏蔽,病人不需要服用免疫抑制剂,因为免疫系统不会承认里面是什么,”黄说。这个团队现在正与一个公司合作致力于动物做细胞移植。为了成功,我认为这家公司可能需要我们的技术。”

支持当地

而不是移植细胞在人体的血管,Grattoni和他的团队的目标带血管植入。团队的装置被设计成插入皮肤下,如内部的手臂,在胰岛细胞将驻留。额外的这种方法的优点是,植入细胞仍然完全包含,如果有必要,可以通过提取从身体中取出装置。

缓慢释放的生长因子如血管内皮生长因子可以促进新的血液血管的生长成一个植入细胞封装设备。但建立新的血管需要一些时间,在短期内可以放置植入细胞压力下由于缺乏氧气。你的细胞可能缺氧持续时间,这是非常有害的长期性能,”加西亚说。

马最近发布了一个装置,包含一个氧代材料氧气供应时保持细胞的快乐是短暂的。我们使用锂过氧化,同样的材料用于潜艇时没有足够的氧气,”他说。二氧化碳释放的植入细胞过氧化在呼吸与锂反应,释放调节氧气的供应。当过氧化锂粒子被密封硅胶管,管是涂有alginate-encapsulated胰岛细胞,设备恢复了糖尿病老鼠的血糖控制至少三个月。升级版的设备也保护大鼠胰岛细胞两个月当他们被植入猪。

Grattoni的策略是首先植入装置,然后添加胰岛细胞后一旦植入成为vascularised。3 d印制聚合物植入了一个细胞装货港增加皮下注射的细胞,植入后4周。

虽然设备促进优秀接触血液供应,植入细胞是免疫细胞不再访问。我们想出一个装置,包含两个水库,水库细胞和药物水库,“Grattoni说。我们加载与免疫抑制剂药物水库水库一点点筛选了进入细胞通过纳米多孔膜。这种技术允许局部免疫抑制细胞内热源。缓慢释放的药物在硅膜伴有纳米通道的目的是获得足够的局部药物浓度来保护移植细胞,同时最小化暴露身体的其他部位的免疫抑制剂。药物水库可以加针的要求。到目前为止,异物反应并没有造成太大的麻烦在动物实验中,Grattoni说。“理想情况下,植入细胞将持续至少10年,”他补充道。“我们相信这是可以实现的,如果我们可以提供合适的环境植入细胞。”

甜蜜的和谐

而不是避开免疫系统攻击,加西亚是针对免疫系统接受植入的细胞。通过培训关键免疫细胞植入细胞应该受到保护,植入独处。

“如果我们能够诱导免疫接受移植,那么我们不需要封装细胞,”加西亚说。如果你不需要封装聚合物中的细胞,然后是血管的可能性可以成长为材料来解决所有这些挑战的血液供应。同样的方法可以用于许多其他生物医学细胞植入糖尿病之外,他指出(见下面的框以外的糖尿病)。

加西亚和他的团队工程材料为基础的聚乙二醇可以装饰与蛋白质,促进免疫耐受。加西亚正在利用的蛋白质之一,PD-L1,最近来关注,因为它是许多肿瘤细胞表达的抑制免疫系统的攻击。

而不是信封移植胰岛细胞,protein-presenting水凝胶植入与它。已经真正有趣的是我们已经证明了你只需要免疫调节蛋白在短窗口,”加西亚说。团队表明植入的蛋白质是在两周内清除。“免疫系统训练接受移植,从那一刻起,你不再需要的蛋白质。一个非常强大的亚型称为调控t细胞的免疫系统维持细胞的接受。”

把这个概念付诸实践的效果比他预期的都要好,加西亚承认。我们做了这老鼠200天,在一只老鼠的寿命被认为是长期生存。我们刚刚完成一项研究在非人类的灵长类动物,去六个月好的结果,”他补充道。

使用类似的方法在集中的显示信号蛋白水凝胶矩阵,加西亚也显示出可以驱动vascularisation周围细胞移植。我们发现,当我们的蛋白质在生物材料,持续的演讲中,我们最终有一个稳定的血管床,持续几个月。”

团队结合到一个水凝胶两种类型的蛋白质,和目前研究的贡献vascularisation与免疫接受导致长期移植物的生存。团队——就像马,许多在这个领域——也在积极寻找基于胰岛细胞来源于干细胞移植。生产胰岛细胞干细胞银行将消除瓶颈的需要来源细胞供应有限的人类。我们相信未来的胰岛更换都要通过干细胞,仅仅因为细胞制造产品的能力,”加西亚说。

的想法,你可以用一些免疫调节材料移植胰岛,本地和调节免疫反应和保护小岛——我认为这是惊人的,”妈妈说。胰岛细胞移植仍然是一个困难的问题,但现在有新思维”。

詹姆斯·米切尔乌鸦是一个基于科学作家在墨尔本,澳大利亚