Za više od 700 miliona ljudi širom sveta koji žive sa dijabetesom tipa 1, dobijanje imunološkog sistema domaćina da toleriše prisustvo implantiranih ćelija koje luče insulin bi moglo da promeni život.
Bioinženjer Univerziteta Rajs Omid Veiseh i saradnici identifikovali su nove formulacije biomaterijala koje bi mogle da pomognu da se okrene stranica o lečenju dijabetesa tipa 1, otvarajući vrata održivijem, dugotrajnijem, samoregulišućem načinu lečenja bolesti.
Da bi to uradili, razvili su novu tehniku skrininga koja uključuje označavanje svake formulacije biomaterijala u biblioteci od stotina sa jedinstvenim „barkodom“ pre nego što ih implantiraju živim subjektima.
Prema studiji u Nature Biomedical Engineering, korišćenje jedne od formulacija alginata za inkapsulaciju ćelija ostrvaca koje luče humani insulin obezbedilo je dugoročnu kontrolu nivoa šećera u krvi kod dijabetičkih miševa. Kateteri obloženi sa dva druga materijala visokih performansi nisu se začepili.
„Ovaj rad je motivisan velikom nezadovoljenom potrebom“, rekao je Veiseh, docent za bioinženjering i naučnik Instituta za prevenciju raka i istraživanja iz Teksasa Rajs. „Kod pacijenata sa dijabetesom tipa 1, imuni sistem tela napada ćelije pankreasa koje proizvode insulin. Kako se te ćelije ubijaju, pacijent gubi sposobnost da reguliše nivo glukoze u krvi.“
Decenijama, naučnici su radili na tome što je Veiseh nazvao „svetim gralom“ cilja da se ćelije ostrvaca smeštaju u poroznu matricu napravljenu od zaštitnog materijala koji bi omogućio ćelijama da pristupe kiseoniku i hranljivim materijama, a da ih imuni sistem domaćina ne blokira.
Međutim, pokazalo se da je veoma teško pronaći materijale sa optimalnom biokompatibilnošću, delom zbog ograničenja skrininga. S jedne strane, odgovor imunog sistema na dati implantirani biomaterijal može se proceniti samo kod živog domaćina.
„Problem je što imuni odgovor treba istražiti unutar tela ovih dijabetičkih miševa, a ne u epruveti“, rekao je Boram Kim, diplomirani student u laboratoriji Veiseh i jedan od vodećih autora studije. „To znači da ako želite da pregledate ove stotine molekula alginata, onda morate da imate stotine subjekata za testiranje na životinjama. Naša ideja je bila da skriniramo stotine biomaterijala u isto vreme, u istom subjektu.“
S druge strane, različite formulacije biomaterijala izgledaju isto, što onemogućava identifikaciju onih sa visokim učinkom u odsustvu neke izdajničke osobine. Ovo je učinilo testiranje više od jednog biomaterijala po domaćinu neizvodljivim.
„To su različiti materijali, ali izgledaju isto“, rekao je Veiseh. „A kada se jednom implantiraju u telo subjekta testiranja, a zatim ponovo izvade, ne možemo da razlikujemo materijale i ne bismo mogli da identifikujemo koja formulacija materijala najbolje funkcioniše.
Da bi prevazišli ova ograničenja, Veiseh i saradnici su smislili način da svaku formulaciju alginata označe jedinstvenim ‘barkodom’ koji im je omogućio da identifikuju one koje imaju najbolje rezultate.
„Uparili smo svaki modifikovani biomaterijal sa endotelnim ćelijama ljudske pupčane vene (HUVEC) od drugog donatora“, rekao je Kim.
„HUVEC ćelije, pošto potiču od jedinstvenih donatora, deluju kao bar kod koji nam omogućava da kažemo koji materijal je prvobitno korišćen“, dodao je Veiseh. „Pobednici su oni koji imaju žive ćelije u sebi. Kada smo ih pronašli, sekvencirali smo genom tih ćelija i otkrili koji materijal je uparen sa njim. Tako smo otkrili najveće hitove.“
U toku su ispitivanja za upotrebu ćelija ostrvaca dobijenih iz matičnih ćelija kod pacijenata sa dijabetesom. Međutim, trenutni tretmani ostrva zahtevaju imunosupresiju, što ga čini teškim načinom lečenja dijabetesa tipa 1.
„Trenutno, da biste koristili implantirane ćelije ostrvaca kod pacijenata sa dijabetesom, morate da potisnete ceo imuni sistem, baš kao da pokušavate da uradite transplantaciju organa“, rekao je Veiseh. „To dolazi sa mnogo komplikacija za pacijenta.“
„Mogu da razviju rak, ne mogu da se bore protiv infekcija, tako da je za ogromnu većinu pacijenata bolje da zaista rade insulinsku terapiju tamo gde se sami ubrizgavaju. Sa ovom strategijom inkapsulacije biomaterijala nije potrebna imunosupresija.“
Postavljanje stvarnih HUVEC ćelija unutar kapsula od biomaterijala povećalo je verovatnoću da će imuni sistem domaćina otkriti strano prisustvo. Ovo čini eksperiment robusnijim od jednostavnog testiranja imunog odgovora samo na biomaterijale.
„Želeli smo da testiramo biblioteku ovih materijala, sa pritiskom selekcije ćelija unutar perli, što otežava da materijal ne primeti imuni sistem“, rekao je Veiseh. „Postoji veliko interesovanje svih proizvođača ćelija ostrvaca da bi mogli da se otarase imunosupresije i umesto toga koriste ove alginat hidrogel matrice za zaštitu implantiranih ćelija.
Novi pristup „barkodiranja“ visoke propusnosti može da se primeni za skrining za druge medicinske aplikacije koristeći manje živih ispitanika.
„To se zapravo uključuje u mnoge druge projekte u mojoj laboratoriji gde radimo biološku proizvodnju iz ćelija za druge indikacije bolesti“, rekao je Veiseh. „Iste modifikacije se mogu primeniti na sve vrste materijala koji ulaze u telo. Ovo nije ograničeno samo na transplantaciju ćelija. Tehnologija koju smo razvili može biti uparena sa mnogo različitih koncepata uređaja.“
„Na primer, neki pacijenti sa dijabetesom koriste automatizovane pumpne sisteme za samodavanje insulina. Kateteri na tim pumpnim sistemima moraju da se menjaju svakih nekoliko dana jer se zapuše. Uspeli smo da pokažemo da oblaganje katetera ovim novim materijalima sprečava začepljenje. .“
„Sa ovom novom tehnologijom barkodiranja zasnovanom na ćelijama, istraživanje biomaterijala je upravo dobilo neviđeni podsticaj koji će ubrzati prevođenje na klinički primenljive proizvode i učiniti ga pristupačnijim“, rekao je dr Hoze Oberholcer, hirurg za transplantaciju i bioinženjer na Univerzitetu Virdžinije .
„Ovo je prava promena paradigme. Sa ovom metodom, sada možemo da pregledamo stotine biomaterijala odjednom i da izaberemo one koje ljudsko telo ne odbacuje. Možemo da zaštitimo ćelijske transplantate od napada imunog sistema, bez potrebe za imunosupresivima. lekove“, dodao je Oberholcer.
Bivši profesor bioinženjeringa Rajsa i sadašnji izvršni direktor kompanije NuProbe u SAD-u Dejvid Džang primetio je da je „sekvencioniranje DNK visoke propusnosti revolucionisalo mnoga biomedicinska polja“.
„Drago mi je što radim sa Omidom kako bih omogućio razvoj poboljšanih biomaterijala koristeći stručnost mog tima u sekvenciranju DNK“, dodao je Zhang, koji je bio koistraživač na grantu. „Ovi poboljšani biomaterijali mogu omogućiti trajnim implantiranim ćelijskim terapijama da funkcionišu kao žive fabrike lekova i mogu imati pozitivan uticaj na pacijente sa različitim hroničnim bolestima.“
