Диабет — одна из основных причин смерти. У пациентов с диабетом 1 типа секретирующие инсулин клетки разрушаются иммунной системой, и им требуются ежедневные инъекции инсулина. Трансплантация островков поджелудочной железы — эффективное лечение, которое может резко снизить суточные дозы или даже устранить зависимость от внешнего инсулина. Клетки, продуцирующие инсулин, вводятся в печень реципиента.
После периода адаптации они начинают производить достаточное количество гормона, необходимого больным диабетом.Однако, хотя сама процедура трансплантации была значительно улучшена за последние годы, сбор, сохранение и транспортировка этих клеток все еще остаются очень сложными. Исследование, опубликованное в журнале Advanced Healthcare Materials учеными из Окинавского технологического института и Высшего научного университета (OIST) в сотрудничестве с Вашингтонским университетом и Уханьским технологическим университетом, предлагает решение некоторых из этих проблем.Производство и секреция инсулина происходит в поджелудочной железе — железе внутренней секреции пищеварительной системы.
Клетки, секретирующие инсулин, сгруппированы в островках поджелудочной железы. Несмотря на их решающую роль в благополучии организма, эти островки составляют лишь несколько процентов ткани поджелудочной железы.
Трансплантация островков не требует серьезного хирургического вмешательства и часто проводится под местной анестезией. Это также дешевле и может быть безопаснее, чем трансплантация всей поджелудочной железы. К сожалению, пока что можно пересаживать только островки человека, и их запасы незначительны.Криоконсервация, или глубокая заморозка, — это метод, обычно используемый для консервации и транспортировки островков.
Но это не совсем безопасно. Можно подумать, что хранение при температуре ниже -190 ° C является наиболее опасной фазой. Однако клетки очень хорошо переносят это. Сам процесс замораживания (от -15 до -60 ° C) представляет наибольшие проблемы.
По мере охлаждения клеток вода внутри и вокруг них замерзает. Кристаллы льда имеют острые края, которые могут пробить мембраны и поставить под угрозу жизнеспособность клеток.
Это также становится проблематичным во время оттаивания.Многопрофильная группа исследователей во главе с профессором Эми Шен, руководителем отдела микро / био / нанофлюидики в OIST, разработала новый метод криоконсервации, который не только помогает защитить островки поджелудочной железы от повреждения льдом, но и облегчает оценку состояния клеток в реальном времени. жизнеспособность. Более того, этот метод может уменьшить отторжение трансплантата и, в свою очередь, уменьшить использование иммунодепрессантов, которые могут быть вредными для здоровья пациента.
В новом методе используется капельное микрофлюидное устройство для инкапсуляции островков поджелудочной железы в гидрогель из альгината, природного полимера, извлеченного из морских водорослей. Эти капсулы обладают уникальной микроструктурой: пористой сеткой и значительным количеством незамерзающей воды. В гидрогеле есть три типа воды: свободная вода, замораживаемая связанная вода и незамерзающая связанная вода. Бесплатная вода — это обычная вода: она замерзает при 0 ° C, образуя кристаллы льда.
Замораживаемая связанная вода также кристаллизуется, но температура замерзания ниже. Незамерзающая связанная вода не образует лед из-за прочной связи между молекулами воды и сетками гидрогеля. Гидрогелевые капсулы с большим количеством незамерзаемой связанной воды защищают клетки от повреждения льдом и снижают потребность в криопротекторах — специальных веществах, которые минимизируют или предотвращают повреждение от замерзания и могут быть токсичными в высоких концентрациях.Еще одно нововведение, предложенное группой, — использование флуоресцентного чувствительного к кислороду красителя в капсулах из гидрогеля.
Пористая структура капсул не препятствует притоку кислорода к клеткам. И этот краситель функционирует как одноостровковый кислородный датчик в реальном времени.
Флуоресценция показывает, потребляют ли клетки кислород и, следовательно, живы и здоровы. Это простой, эффективный по времени и дешевый метод оценки жизнеспособности как отдельных островков, так и их популяций.
Инкапсуляция островков снижает риск отторжения трансплантированных клеток реципиентом. Капсула с гидрогелем позволяет использовать небольшие молекулы, например питательные вещества и секреция островков легко проходят через мембрану, но предотвращают прямой контакт между имплантированными островками и клетками-хозяевами. Инкапсуляция также может предотвратить атаку на трансплантаты из-за аутоиммунного ответа, который в первую очередь разрушил собственные островки пациента.Метод микрокапсулирования может помочь преодолеть некоторые серьезные проблемы при трансплантации островков поджелудочной железы, включая нехватку доступных островков и отсутствие простых и надежных методов контроля, особенно для оценки отдельных островков.
Это дает надежду пациентам, страдающим диабетом 1 типа, вернуться к «нормальной» жизни без инъекций инсулина.