Имплантируемые островковые клетки могут контролировать диабет без инъекций инсулина, оставаясь жизнеспособными в организме не менее 3 месяцев и вырабатывая достаточное количество инсулина для регулирования уровня сахара в крови.
Большинство пациентов с диабетом вынуждены тщательно контролировать уровень сахара в крови и вводить инсулин несколько раз в день, чтобы не допустить его повышения. В качестве возможной альтернативы этим инъекциям исследователи из Массачусетского технологического института (MIT, США) разрабатывают имплантируемое устройство, содержащее клетки, вырабатывающие инсулин. Устройство инкапсулирует клетки, защищая их от иммунного отторжения, а также оснащено встроенным генератором кислорода, поддерживающим их жизнеспособность.
По мнению исследователей, это устройство может стать способом длительного контроля диабета 1 типа. В новом исследовании показано, что такие инкапсулированные островковые клетки поджелудочной железы способны выживать в организме не менее 90 дней. У мышей с имплантами клетки оставались функциональными и вырабатывали достаточно инсулина для контроля уровня сахара в крови.
«Терапия островковыми клетками может стать прорывным методом лечения для пациентов. Однако существующие методы требуют подавления иммунной системы, что для некоторых людей может быть очень тяжёлым», — объясняет Дэниел Андерсон, профессор кафедры химической инженерии MIT и сотрудник Института интегративных исследований рака имени Коха и Института медицинской инженерии и науки. «Наша цель — дать пациентам преимущества клеточной терапии без необходимости иммуноподавления».
Андерсон — старший автор исследования, опубликованного сегодня в журнале Device. Ведущими авторами являются бывший научный сотрудник MIT Сиддхарт Кришнан (ныне доцент электротехники в Стэнфордском университете) и бывший постдок MIT Мэттью Боченек. Соавтором также выступает Роберт Лангер, профессор Института Коха в MIT.
Инсулин по требованию
Трансплантация островковых клеток уже успешно применяется для лечения диабета. Такие клетки обычно получают из тканей умерших доноров, а в последнее время — из стволовых клеток. В обоих случаях пациентам необходимо принимать иммунодепрессанты, чтобы предотвратить отторжение.
Другой способ избежать иммунного ответа — инкапсулировать клетки в защитное устройство. Однако это создаёт новую проблему: оболочка может мешать поступлению достаточного количества кислорода.
В исследовании 2023 года Андерсон и его коллеги представили устройство для инкапсуляции островковых клеток со встроенным генератором кислорода. Он основан на протонно-обменной мембране, которая расщепляет водяной пар (в изобилии присутствующий в организме) на водород и кислород. Водород безопасно рассеивается, а кислород поступает в резервуар и через тонкую проницаемую мембрану подаётся к клеткам.
Оказалось, что такие клетки способны вырабатывать инсулин до месяца после имплантации мышам.
«Один месяц — хороший срок, подтверждающий работоспособность концепции. Но с точки зрения практического применения важно показать более длительный эффект», — отметил Кришнан.
В новом исследовании учёные увеличили срок службы устройства, сделав его более водонепроницаемым и устойчивым к трещинам. Также была улучшена электроника для подачи большей мощности на генератор кислорода. Имплант питается беспроводным способом от внешней антенны, размещённой на коже. Оптимизация схем позволила увеличить количество энергии, поступающей к системе генерации кислорода.
Дополнительная энергия позволила устройству производить больше кислорода, что улучшило выживаемость и функцию клеток. В результате клетки стали вырабатывать значительно больше инсулина со временем.
В экспериментах на крысах и мышах показано, что новое устройство может работать не менее 90 дней после имплантации под кожу. За это время донорские островковые клетки вырабатывали достаточно инсулина, чтобы поддерживать уровень сахара у животных в норме.
Похожие результаты были получены и с клетками, полученными из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток, которые в будущем могут стать практически неисчерпаемым источником для лечения пациентов. Эти клетки не полностью устраняли диабет, но позволяли частично контролировать уровень сахара.
«Мы надеемся, что в будущем, если дать клеткам больше времени для полного созревания, они будут выделять ещё больше инсулина и лучше регулировать диабет», — отметил Боченек.
Теперь исследователи планируют изучить возможность увеличения срока работы устройства до 2 лет и более.
«Длительное выживание островковых клеток — важная цель», — добавил Андерсон. «Если клетки находятся в подходящей среде, они могут жить очень долго. Мы уже довольны достигнутыми результатами и будем стремиться максимально продлить их функционирование».
Учёные также рассматривают возможность использования этой технологии для доставки клеток, способных вырабатывать другие полезные белки, такие как антитела, ферменты или факторы свёртывания крови.
«Мы считаем, что такие технологии могут обеспечить долгосрочное лечение заболеваний за счёт производства лекарств прямо в организме, а не вне его», — добавил Андерсон. «Существует множество белковых препаратов, требующих регулярных длительных инфузий. Возможно, удастся создать устройство, которое будет непрерывно производить необходимые белковые лекарства по мере необходимости для пациента».
