Kapsułkowanie komórek
Kapsułkowanie komórek jest możliwym rozwiązaniem problemu odrzucania przeszczepów w zastosowaniach inżynierii tkankowej. Technologia mikroenkapsulacji komórek polega na unieruchomieniu komórek w polimerowej półprzepuszczalnej błonie . Umożliwia dwukierunkową dyfuzję cząsteczek, takich jak napływ tlenu, składników odżywczych, czynników wzrostu itp. Niezbędnych dla metabolizmu komórkowego oraz dyfuzję na zewnątrz produktów przemiany materii i białek terapeutycznych . Jednocześnie półprzepuszczalny charakter błony zapobiega niszczeniu komórek odpornościowych i przeciwciał , które są postrzegane jako obcy najeźdźcy.
Kapsułkowanie komórek może zmniejszyć potrzebę długotrwałego stosowania leków immunosupresyjnych po przeszczepie narządu w celu kontrolowania skutków ubocznych.
Historia
W 1933 roku Vincenzo Bisceglie podjął pierwszą próbę kapsułkowania komórek w membranach polimerowych. Wykazał, że nowotworowe w strukturze polimerowej przeszczepione do jamy brzusznej świni zachowują żywotność przez długi czas bez odrzucenia przez układ odpornościowy .
Trzydzieści lat później, w 1964 roku, pomysł kapsułkowania komórek w ultracienkich mikrokapsułkach z membraną polimerową, aby zapewnić komórkom ochronę immunologiczną, został następnie zaproponowany przez Thomasa Changa , który wprowadził termin „ sztuczne komórki ”, aby zdefiniować tę koncepcję bioenkapsulacji. Zasugerował, że te sztuczne komórki wytwarzane metodą kropelkową nie tylko chroniły otoczone komórki przed immunoodrzuceniem, ale także zapewniały wysoki stosunek powierzchni do objętości, umożliwiając dobry transfer masy tlenu i składników odżywczych. Dwadzieścia lat później podejście to zostało z powodzeniem zastosowane w praktyce na małych modelach zwierzęcych, kiedy opracowano mikrokapsułki z alginianu-polilizyny-alginianu (APA) unieruchamiające ksenoprzeszczepy komórek wysp trzustkowych . Badanie wykazało, że kiedy te mikrokapsułkowane wysepki zostały wszczepione szczurom z cukrzycą , komórki pozostały żywe i kontrolowały poziom glukozy przez kilka tygodni. W 1998 r. przeprowadzono badania na ludziach z wykorzystaniem komórek otoczkowanych. Komórki otoczkowe wykazujące ekspresję enzymu cytochromu P450 w celu miejscowej aktywacji proleku przeciwnowotworowego zastosowano w badaniu dotyczącym zaawansowanego, nieoperacyjnego raka trzustki. Wykazano w przybliżeniu podwojenie czasu przeżycia w porównaniu z historycznymi kontrolami.
Mikrokapsułkowanie komórek jako narzędzie inżynierii tkankowej i medycyny regeneracyjnej
Mogą pojawić się pytania, dlaczego technika enkapsulacji komórek jest w ogóle wymagana, skoro produkty lecznicze można po prostu wstrzyknąć w miejsce. Ważnym tego powodem jest to, że kapsułkowane komórki zapewnią źródło przedłużonego ciągłego uwalniania produktów terapeutycznych przez dłuższy czas w miejscu wszczepienia. Kolejną zaletą technologii mikroenkapsulacji komórek jest to, że umożliwia ona wprowadzanie do matrycy polimerowej komórek innych niż ludzkie i zmodyfikowanych genetycznie, gdy dostępność komórek dawcy jest ograniczona. Mikrokapsułkowanie jest cenną techniką miejscowego, regionalnego i doustnego dostarczania produktów terapeutycznych, ponieważ można ją wszczepiać do wielu typów tkanek i narządów. W przypadku przedłużonego dostarczania leku do miejsca leczenia, wszczepienie tych sztucznych komórek wypełnionych lekiem byłoby bardziej opłacalne w porównaniu z bezpośrednim dostarczaniem leku. Ponadto perspektywa wszczepienia kilku pacjentom sztucznych komórek o podobnym składzie chemicznym, niezależnie od ich antygenu leukocytarnego, mogłaby ponownie pozwolić na obniżenie kosztów.
Kluczowe parametry technologii mikroenkapsulacji komórek
Potencjał wykorzystania mikroenkapsulacji komórek w udanych zastosowaniach klinicznych można zrealizować tylko wtedy, gdy kilka wymagań napotkanych podczas procesu opracowywania zostanie zoptymalizowanych, takich jak zastosowanie odpowiedniego biokompatybilnego polimeru do utworzenia mechanicznie i chemicznie stabilnej półprzepuszczalnej matrycy, produkcja mikrokapsułek o jednakowej wielkości , zastosowanie odpowiednich immunokompatybilnych polikationów usieciowanych z polimerem kapsułkującym do stabilizacji kapsułek, wybór odpowiedniego typu komórek w zależności od sytuacji.
Biomateriały
Wykorzystanie najlepszego biomateriału w zależności od zastosowania ma kluczowe znaczenie w rozwoju systemów dostarczania leków i inżynierii tkankowej. Alginian polimeru jest bardzo powszechnie stosowany ze względu na jego wczesne odkrycie, łatwą dostępność i niski koszt, ale stosowano również inne materiały, takie jak siarczan celulozy, kolagen , chitozan , żelatyna i agaroza .
alginian
Kilka grup intensywnie badało kilka naturalnych i syntetycznych polimerów w celu opracowania najbardziej odpowiedniego biomateriału do mikrokapsułkowania komórek. Przeprowadzono szeroko zakrojone prace z wykorzystaniem alginianów, które są uważane za najbardziej odpowiednie biomateriały do mikroenkapsulacji komórek ze względu na ich obfitość, doskonałą biokompatybilność i biodegradowalność . Alginian jest naturalnym polimerem, który można ekstrahować z wodorostów i bakterii o wielu składach opartych na źródle izolacji.
Alginian nie jest wolny od wszelkiej krytyki. Niektórzy badacze uważają, że alginiany o wysokiej zawartości M mogą wywoływać zapalną i nieprawidłowy wzrost komórek, podczas gdy niektórzy wykazali, że alginiany o wysokiej zawartości G prowadzą do jeszcze większego przerostu komórek i reakcji zapalnej in vivo w porównaniu z alginianami o pośredniej zawartości G . Nawet ultraczyste alginiany mogą zawierać endotoksyny i polifenole , które mogą zagrozić biokompatybilności powstałych mikrokapsułek komórkowych. Wykazano, że chociaż procesy oczyszczania z powodzeniem obniżają zawartość endotoksyn i polifenoli w przetworzonym alginianie, to obniżenie zawartości białka jest trudne, a procesy oczyszczania mogą z kolei modyfikować właściwości biomateriału. Dlatego istotne jest, aby skuteczny proces oczyszczania został zaprojektowany tak, aby usunąć wszystkie zanieczyszczenia z alginianu, zanim będzie można go z powodzeniem zastosować w zastosowaniach klinicznych.
Modyfikacja i funkcjonalizacja alginianu
Naukowcom udało się również opracować mikrokapsułki alginianu ze zmienioną postacią alginianu o zwiększonej biokompatybilności i większej odporności na pęcznienie osmotyczne. Innym podejściem do zwiększania biokompatybilności biomateriału błony jest modyfikacja powierzchni kapsułek za pomocą peptydów i białek, co z kolei kontroluje proliferację i szybkość różnicowania otoczkowych komórek. Jedna grupa, która intensywnie pracowała nad sprzęganiem sekwencji aminokwasowej Arg-Gly-Asp (RGD) z hydrożelami alginianowymi, wykazała, że zachowanie komórek można kontrolować za pomocą gęstości RGD sprzężonej na żelach alginianowych. Mikrocząstki alginianu wypełnione komórkami mioblastów i funkcjonalizowane RGD umożliwiły kontrolę wzrostu i różnicowania obciążonych komórek. Innym istotnym czynnikiem, który kontroluje stosowanie mikrokapsułek komórkowych w zastosowaniach klinicznych, jest opracowanie odpowiedniego, zgodnego z układem odpornościowym polikationu do powlekania skądinąd wysoce porowatych kulek alginianu, a tym samym nadania systemowi stabilności i ochrony immunologicznej. Poli-L-lizyna jest najczęściej stosowanym polikationem, ale jej niska biozgodność ogranicza pomyślne zastosowanie kliniczne tych mikrokapsułek formułowanych w PLL, które przyciągają komórki zapalne, indukując w ten sposób martwicę obciążonych komórek. Badania wykazały również, że mikrokapsułki alginian-PLL-alginian (APA) wykazują niską stabilność mechaniczną i krótkotrwałą trwałość. W związku z tym kilka grup badawczych poszukiwało alternatyw dla PLL i wykazało obiecujące wyniki z chlorowodorkiem poli-L-ornityny i poli(metyleno-ko-guanidyny), wytwarzając trwałe mikrokapsułki o wysokiej i kontrolowanej wytrzymałości mechanicznej do kapsułkowania komórek.
Kilka grup zbadało również zastosowanie chitozanu , który jest polikationem pochodzenia naturalnego jako potencjalnym zamiennikiem PLL do wytwarzania mikrokapsułek alginianu-chitozanu (AC) do zastosowań w dostarczaniu komórek. Jednak badania wykazały również, że stabilność tej błony AC jest ponownie ograniczona, a jedna grupa wykazała, że modyfikacja tych mikrokapsułek alginianowo-chitozanowych za pomocą genipin , naturalnie występującego irydoidowego glukozydu z owoców gardenii, w celu utworzenia genipinowego usieciowanego alginianu-chitozanu ( GCAC) mogą zwiększać stabilność mikrokapsułek obciążonych komórkami.
kolagen
Kolagen, główny składnik białkowy ECM, zapewnia wsparcie dla tkanek, takich jak skóra, chrząstka, kości, naczynia krwionośne i więzadła, dlatego jest uważany za modelowe rusztowanie lub matrycę dla inżynierii tkankowej ze względu na jego właściwości biokompatybilności, biodegradowalności i zdolności do promowania komórek wiążący. Ta zdolność pozwala chitozanowi kontrolować rozmieszczenie komórek wewnątrz układu polimerowego. Tak więc kolagen typu I uzyskiwany z tkanek zwierzęcych jest obecnie z powodzeniem stosowany komercyjnie jako biomateriał inżynierii tkankowej do wielu zastosowań. Kolagen był również stosowany w naprawie nerwów i inżynierii pęcherza moczowego. Immunogenność ograniczyła zastosowania kolagenu. Z tego powodu żelatyna została uznana za alternatywę.
żelatyna
Żelatyna jest przygotowywana w wyniku denaturacji kolagenu , a wiele pożądanych właściwości, takich jak biodegradowalność , biokompatybilność, brak immunogenności w środowiskach fizjologicznych i łatwa obróbka, sprawiają, że ten polimer jest dobrym wyborem do zastosowań w inżynierii tkankowej. Jest stosowany w inżynierii tkanek dla skóry, kości i chrząstek i jest używany komercyjnie do wymiany skóry.
Chitozan
Chitozan jest polisacharydem złożonym z losowo rozmieszczonych β-(1-4)-połączonych D-glukozaminy (jednostka deacetylowana) i N-acetylo-D-glukozaminy (jednostka acetylowana). Pochodzi z N-deacetylacji chityny i był używany do kilku zastosowań, takich jak dostarczanie leków , implanty wypełniające przestrzeń i opatrunki na rany. Jednak jedną wadą tego polimeru są jego słabe właściwości mechaniczne, dlatego często łączy się go z innymi polimerami, takimi jak kolagen , z wytworzeniem polimeru o silniejszych właściwościach mechanicznych do zastosowań związanych z kapsułkowaniem komórek.
agaroza
Agaroza jest polisacharydem pochodzącym z wodorostów, używanym do nanokapsułkowania komórek, a zawiesinę komórek/agarozy można modyfikować w celu utworzenia mikrokulek poprzez obniżenie temperatury podczas przygotowywania. Jednakże jedną wadą tak otrzymanych mikrokulek jest możliwość wystania komórek przez polimerowej po utworzeniu kapsułek.
siarczan celulozy
Siarczan celulozy pochodzi z bawełny i po odpowiednim przetworzeniu może służyć jako biokompatybilna baza do zawieszania komórek. Gdy polianionowy roztwór siarczanu celulozy zanurza się w drugim, polikationowym roztworze (np. pDADMAC), wokół zawieszonych komórek tworzy się półprzepuszczalna membrana w wyniku żelowania między dwoma polijonami. Zarówno linie komórkowe ssaków, jak i komórki bakteryjne pozostają żywotne i kontynuują replikację w błonie kapsułki w celu wypełnienia kapsułki. Jako takie, w przeciwieństwie do niektórych innych materiałów kapsułkujących, kapsułki mogą być używane do wzrostu komórek i działać jak mini-bioreaktor. Biokompatybilność materiału została wykazana na podstawie obserwacji podczas badań z użyciem samych kapsułek wypełnionych komórkami do implantacji, jak również izolowanego materiału kapsułek. Kapsułki utworzone z siarczanu celulozy były z powodzeniem stosowane, wykazując bezpieczeństwo i skuteczność, w badaniach klinicznych i przedklinicznych zarówno na ludziach, jak i zwierzętach, głównie jako terapie przeciwnowotworowe, ale także badając możliwe zastosowania w terapii genowej lub terapii przeciwciałami. Przy użyciu siarczanu celulozy możliwe było wytwarzanie komórek kapsułkowanych jako produktu farmaceutycznego na dużą skalę i spełniających standardy Dobrego Procesu Wytwarzania (cGMP). Udało się to firmie Austrianova w 2007 roku.
Biokompatybilność
Zastosowanie idealnego, wysokiej jakości biomateriału o nieodłącznych właściwościach biozgodności jest najważniejszym czynnikiem decydującym o długoterminowej efektywności tej technologii. Idealny biomateriał do enkapsulacji komórek powinien być taki, który jest całkowicie biokompatybilny , nie wywołuje odpowiedzi immunologicznej u gospodarza i nie zakłóca homeostazy komórkowej , tak aby zapewnić wysoką żywotność komórek. Jednak jednym z głównych ograniczeń była niemożność odtworzenia różnych biomateriałów oraz wymagania dotyczące lepszego zrozumienia chemii i biofunkcjonalności biomateriałów oraz systemu mikrokapsułkowania . Kilka badań wykazało, że modyfikacja powierzchni tych mikrocząstek zawierających komórki umożliwia kontrolę wzrostu i różnicowania komórek. z kapsułkowanych komórek.
W jednym z badań zaproponowano wykorzystanie potencjału zeta , który mierzy ładunek elektryczny mikrokapsułki, jako środka do przewidywania reakcji międzyfazowej między mikrokapsułką a otaczającą tkanką, a co za tym idzie biokompatybilności systemu dostarczania.
Przepuszczalność mikrokapsułek
Podstawowym kryterium, które należy ustalić podczas opracowywania dowolnego urządzenia z półprzepuszczalną membraną, jest dostosowanie przepuszczalności urządzenia pod względem wejścia i wyjścia cząsteczek. Istotne jest, aby mikrokapsułka komórkowa była zaprojektowana z jednolitą grubością i powinna mieć kontrolę zarówno nad szybkością cząsteczek wchodzących do kapsułki, niezbędną dla żywotności komórki, jak i szybkością produktów terapeutycznych i materiałów odpadowych opuszczających błonę kapsułki. Immunoprotekcja załadowanej komórki jest kluczową kwestią, o której należy pamiętać podczas pracy nad przepuszczalnością błony kapsułkującej, ponieważ nie tylko komórki układu odpornościowego, ale także przeciwciała i cytokiny powinny mieć dostęp do mikrokapsułki, co w rzeczywistości zależy od wielkości porów biomembrana.
Wykazano, że ponieważ różne typy komórek mają różne wymagania metaboliczne, w związku z tym w zależności od rodzaju komórek zamkniętych w błonie przepuszczalność błony musi być optymalizowana. Kilka grup poświęcono badaniu przepuszczalności błon mikrokapsułek komórkowych i chociaż wykazano rolę przepuszczalności niektórych podstawowych pierwiastków, takich jak tlen, wymagania dotyczące przepuszczalności dla każdego typu komórek nie zostały jeszcze określone.
Cytrynian sodu służy do degradacji perełek alginianu po kapsułkowaniu komórek. W celu określenia żywotności komórek lub do dalszych eksperymentów. Stężenia około 25 mM stosuje się do rozpuszczenia kulek alginianu i roztwór odwirowuje się za pomocą wirówki, aby można było usunąć cytrynian sodu i zebrać komórki.
Wytrzymałość mechaniczna i trwałość
Istotne jest, aby mikrokapsułki miały odpowiednią wytrzymałość błony (stabilność mechaniczną), aby wytrzymać obciążenia fizyczne i osmotyczne , takie jak podczas wymiany składników odżywczych i produktów przemiany materii. Mikrokapsułki powinny być wystarczająco mocne i nie powinny pękać podczas implantacji, ponieważ mogłoby to prowadzić do odrzucenia immunologicznego zamkniętych komórek. Na przykład w przypadku ksenotransplantacji wymagana byłaby ciaśniejsza, bardziej stabilna błona w porównaniu z allotransplantacją . Ponadto, badając potencjał wykorzystania mikrokapsułek APA wypełnionych hydrolazą soli żółciowych (BSH) powodujących nadprodukcję aktywnych Lactobacillus plantarum 80, w symulowanym modelu przewodu pokarmowego do podawania doustnego, oceniono mechaniczną integralność i kształt mikrokapsułek. Wykazano, że mikrokapsułki APA mogą potencjalnie znaleźć zastosowanie w doustnym podawaniu żywych komórek bakteryjnych. Jednak dalsze badania wykazały, że mikrokapsułki GCAC mają wyższą stabilność mechaniczną w porównaniu z mikrokapsułkami APA do podawania doustnego. Martoni i in. eksperymentowali z kapsułkami wypełnionymi bakteriami, które byłyby przyjmowane doustnie w celu obniżenia poziomu cholesterolu w surowicy. Kapsułki pompowano przez szereg naczyń symulujących ludzki przewód pokarmowy, aby określić, jak dobrze kapsułki przetrwają w organizmie. Konieczne są szeroko zakrojone badania właściwości mechanicznych biomateriału, który ma być stosowany do mikrokapsułkowania komórek, w celu określenia trwałości mikrokapsułek podczas produkcji, a zwłaszcza w zastosowaniach in vivo, gdzie wymagane jest przedłużone uwalnianie produktu terapeutycznego przez długi czas. van der Wijngaart i in. wszczepili solidną, ale przepuszczalną powłokę wokół komórek, aby zapewnić zwiększoną wytrzymałość mechaniczną.
Cytrynian sodu służy do degradacji perełek alginianu po kapsułkowaniu komórek. W celu określenia żywotności komórek lub do dalszych eksperymentów. Stężenia około 25 mM stosuje się do rozpuszczenia kulek alginianu i roztwór odwirowuje się za pomocą wirówki, aby można było usunąć cytrynian sodu i zebrać komórki.
Metody badania właściwości mechanicznych mikrokapsułek
- Reometr to maszyna używana do testowania
- szybkość ścinania
- wytrzymałość na ścinanie
- współczynnik spójności
- wskaźnik zachowania przepływu
- Wiskozymetr - badanie wytrzymałości na ścinanie
Generacja mikrokapsułek
Mikrofluidyka
Mikroprzepływy oparte na kroplach można wykorzystać do generowania mikrocząstek o powtarzalnym rozmiarze.
- manipulowanie roztworem alginianu w celu umożliwienia tworzenia mikrokapsułek
Techniki elektrorozpylania
Elektrorozpylanie służy do tworzenia kulek alginianu poprzez pompowanie roztworu alginianu przez igłę. Źródło wysokiego napięcia, zwykle zapewniane przez zacisk przymocowany do igły, służy do generowania potencjału elektrycznego, podczas którego alginian spada z końcówki igły do roztworu zawierającego ziemię. Chlorek wapnia jest stosowany jako roztwór sieciujący, w którym utworzone kapsułki opadają do miejsca, w którym twardnieją po około 30 minutach. Koraliki powstają z igły pod wpływem ładunku i napięcia powierzchniowego.
- Zależność wielkości koralików
- zmiany wysokości urządzenia od igły do roztworu chlorku wapnia
- zmiany napięcia zacisku na igle
- zmiany stężenia alginianu
Wielkość mikrokapsułek
Średnica mikrokapsułek jest ważnym czynnikiem wpływającym zarówno na odpowiedź immunologiczną na mikrokapsułki komórkowe, jak i na transport masy przez błonę otoczki. Badania pokazują, że odpowiedź komórkowa na mniejsze kapsułki jest znacznie słabsza w porównaniu z większymi kapsułkami i generalnie średnica mikrokapsułek wypełnionych komórkami powinna wynosić między 350-450 µm, aby umożliwić skuteczną dyfuzję przez półprzepuszczalną błonę.
Wybór komórki
Typ komórek wybrany do tej techniki zależy od pożądanego zastosowania mikrokapsułek komórkowych. Komórki umieszczone w kapsułkach mogą pochodzić od pacjenta ( autologiczne ), od innego dawcy (komórki allogeniczne) lub od innego gatunku (komórki ksenogeniczne). Zastosowanie komórek autologicznych w terapii mikrokapsułkowanej jest ograniczone dostępnością tych komórek i chociaż komórki ksenogeniczne są łatwo dostępne, niebezpieczeństwo możliwego przeniesienia wirusów , zwłaszcza endogennego retrowirusa świni na pacjenta, ogranicza ich zastosowanie kliniczne, a po wielu debatach kilka grup doszli do wniosku, że badania powinny obejmować wykorzystanie komórek allogenicznych zamiast ksenogenicznych. W zależności od zastosowania komórki można modyfikować genetycznie w celu uzyskania ekspresji dowolnego wymaganego białka. Należy jednak przeprowadzić wystarczającą liczbę badań, aby potwierdzić bezpieczeństwo i stabilność eksprymowanego genu, zanim będzie można użyć tego typu komórek.
Technologia ta nie została dopuszczona do badań klinicznych ze względu na wysoką immunogenność komórek załadowanych do kapsułek. Wydzielają cytokiny i wywołują silną reakcję zapalną w miejscu implantacji wokół kapsułek, co z kolei prowadzi do zmniejszenia żywotności otoczkowanych komórek. Jednym z badanych obiecujących podejść jest podawanie leków przeciwzapalnych w celu zmniejszenia odpowiedzi immunologicznej wywołanej podawaniem mikrokapsułek wypełnionych komórkami. Innym podejściem, które jest obecnie przedmiotem szeroko zakrojonych badań, jest wykorzystanie komórek macierzystych , takich jak mezenchymalne komórki macierzyste, do długoterminowej mikroenkapsulacji komórek i zastosowań w terapii komórkowej w nadziei na zmniejszenie odpowiedzi immunologicznej u pacjenta po implantacji. Innym problemem, który zagraża długoterminowej żywotności mikrokapsułkowanych komórek, jest stosowanie szybko proliferujących linii komórkowych, które ostatecznie wypełniają cały system i prowadzą do zmniejszenia wydajności dyfuzji przez półprzepuszczalną błonę kapsułki. Rozwiązaniem tego problemu mogłoby być zastosowanie typów komórek, takich jak mioblasty , które nie namnażają się po procedurze mikrokapsułkowania.
Zastosowania nieterapeutyczne
Probiotyki są coraz częściej stosowane w wielu produktach mlecznych, takich jak lody, mleko w proszku, jogurty, mrożone desery mleczne i sery, ze względu na ich ważne korzyści zdrowotne. Jednak niska żywotność bakterii probiotycznych w żywności nadal pozostaje główną przeszkodą. pH mlecznych oraz stężenie kwasu mlekowego i octowego to niektóre z czynników, które znacznie wpływają na żywotność probiotyków w produkcie. Zgodnie z wytycznymi Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) oraz Światowej Organizacji Zdrowia (WHO), norma, aby produkt mógł być uznany za zdrową żywność z dodatkiem probitów, powinien zawierać w gramie co najmniej 10 6 -10 7 cfu żywych bakterii probiotycznych . Konieczne jest, aby komórki bakteryjne pozostały stabilne i zdrowe w wytwarzanym produkcie, były wystarczająco żywotne podczas przemieszczania się przez górny odcinek przewodu pokarmowego i były w stanie zapewnić pozytywne efekty po dotarciu do jelita gospodarza.
Technologia mikroenkapsulacji komórek została z powodzeniem zastosowana w przemyśle spożywczym do enkapsulacji żywych komórek bakterii probiotycznych w celu zwiększenia żywotności bakterii podczas przetwarzania produktów mlecznych oraz do celowego dostarczania do przewodu pokarmowego.
Oprócz produktów mlecznych mikrokapsułkowane probiotyki były również stosowane w produktach niemlecznych, takich jak TheresweetTM , który jest słodzikiem . Może być stosowany jako wygodny nośnik do dostarczania kapsułkowanych Lactobacillus do jelita, chociaż sam nie jest produktem mleczarskim.
Zastosowania terapeutyczne
Cukrzyca
Potencjał wykorzystania biosztucznej trzustki do leczenia cukrzycy , opartej na zamykaniu komórek wysp trzustkowych w półprzepuszczalnej błonie, jest intensywnie badany przez naukowców. Urządzenia te mogłyby wyeliminować potrzebę stosowania leków immunosupresyjnych , a także ostatecznie rozwiązać problem niedoboru dawców narządów. Zastosowanie mikroenkapsulacji chroniłoby komórki wysp trzustkowych przed odrzuceniem immunologicznym, jak również pozwoliłoby na wykorzystanie komórek zwierzęcych lub genetycznie zmodyfikowanych komórek produkujących insulinę. Istnieje nadzieja, że opracowanie tych kapsułkowanych mikrokapsułek wysp trzustkowych może zapobiec potrzebie zastrzyków insuliny potrzebnych kilka razy dziennie przez pacjentów z cukrzycą typu 1. Protokół z Edmonton obejmuje implantację ludzkich wysepek pobranych od dawców zmarłych i wykazał poprawę w leczeniu chorych na cukrzycę typu 1, którzy są podatni na nieświadomość hipoglikemii . Jednak dwie główne przeszkody napotykane w tej technice to ograniczona dostępność narządów od dawców oraz potrzeba stosowania środków immunosupresyjnych , aby zapobiec odpowiedzi immunologicznej w organizmie pacjenta.
Kilka badań poświęcono opracowaniu biosztucznej trzustki polegającej na unieruchomieniu wysepek Langerhansa wewnątrz polimerowych kapsułek. Pierwszą próbę osiągnięcia tego celu zademonstrowali w 1980 roku Lim i in. gdzie ksenoprzeszczepowe komórki wysp trzustkowych zostały zamknięte w mikrokapsułkach z polilizyny alginianowej i wykazywały znaczące wyniki in vivo przez kilka tygodni. Przewiduje się, że wszczepienie tych otoczkowanych komórek pomogłoby przezwyciężyć stosowanie leków immunosupresyjnych, a także umożliwiłoby zastosowanie heteroprzeszczepów komórek, eliminując w ten sposób problem niedoboru dawców.
Polimery stosowane do mikrokapsułkowania wysepek to alginian, chitozan, glikol polietylenowy (PEG), agaroza, siarczan celulozy sodowej i nierozpuszczalne w wodzie poliakrylany , przy czym alginian i PEG są powszechnie stosowanymi polimerami. Dzięki udanym badaniom in vitro przeprowadzanym przy użyciu tej techniki, prowadzone są znaczące prace w badaniach klinicznych z użyciem mikrokapsułkowanych wysepek ludzkich. W 2003 r. włoskie Ministerstwo Zdrowia zezwoliło na stosowanie mikrokapsułek zawierających alginian/PLO zawierających komórki wysp trzustkowych w pilotażowych badaniach klinicznych I fazy na Uniwersytecie w Perugii. oceniono możliwość zastosowania klinicznego PEGylacji i niskich dawek immunosupresyjnej cyklosporyny A. Próba rozpoczęta w 2005 roku przez firmę Novocell stanowi obecnie I/II fazę badań klinicznych obejmujących implantację alloprzeszczepów wysp trzustkowych w miejsce podskórne . Jednak przeprowadzono kontrowersyjne badania obejmujące badania kliniczne na ludziach, w których Living Cell Technologies Ltd wykazało przeżycie funkcjonalnych komórek ksenogenicznych przeszczepionych bez leków immunosupresyjnych przez 9,5 roku. Jednak proces spotkał się z ostrą krytyką ze strony Międzynarodowego Stowarzyszenia Ksenotransplantacji jako ryzykowny i przedwczesny. Jednak mimo że badania kliniczne są w toku, należy przezwyciężyć kilka głównych problemów, takich jak biokompatybilność i ochrona immunologiczna.
Badane są również potencjalne alternatywy dla enkapsulacji izolowanych wysepek (allo- lub ksenogenicznych). Wykorzystując technologię siarczanu celulozy sodowej firmy Austrianova Singapore , kapsułkowano linię komórek wysepek i wykazano, że komórki zachowują żywotność i uwalniają insulinę w odpowiedzi na glukozę. W badaniach przedklinicznych wszczepione, kapsułkowane komórki były w stanie przywrócić poziom glukozy we krwi u szczurów z cukrzycą w okresie 6 miesięcy.
Rak
Zastosowanie mikrokapsułek zamkniętych w komórkach w leczeniu kilku postaci raka wykazało ogromny potencjał. Jednym z podejść zastosowanych przez naukowców jest wszczepianie mikrokapsułek zawierających genetycznie zmodyfikowane komórki wydzielające cytokiny. Przykład tego wykazali Cirone i in. gdy genetycznie zmodyfikowana cytokina IL-2 wydzielająca nieautologiczne mysie mioblasty wszczepione myszom wykazywała opóźnienie wzrostu nowotworu wraz ze zwiększoną przeżywalnością zwierząt. Jednak skuteczność tego leczenia była krótkotrwała ze względu na odpowiedź immunologiczną na wszczepione mikrokapsułki. Innym podejściem do hamowania raka jest stosowanie inhibitorów angiogenezy w celu zapobieżenia uwalnianiu czynników wzrostu , które prowadzą do rozprzestrzeniania się nowotworów. Wpływ wszczepiania mikrokapsułek obciążonych komórkami ksenogennymi zmodyfikowanymi genetycznie w celu wydzielania endostatyny , leku antyangiogennego , który powoduje apoptozę w komórkach nowotworowych , był szeroko badany. Jednak ta metoda miejscowego dostarczania mikrokapsułek nie była możliwa do zastosowania w leczeniu pacjentów z wieloma nowotworami lub w przerzutów i doprowadziła do ostatnich badań obejmujących ogólnoustrojowe wszczepianie kapsułek.
W 1998 r. mysi model raka trzustki wykorzystano do zbadania wpływu wszczepienia genetycznie zmodyfikowanego cytochromu P450 eksprymującego kocie komórki nabłonkowe otoczone polimerami siarczanu celulozy w leczeniu guzów litych. Podejście to po raz pierwszy zademonstrowało zastosowanie enzymów do aktywacji środków chemioterapeutycznych. Na podstawie tych wyników kapsułkowany produkt terapii komórkowej, NovaCaps, został przetestowany w badaniu klinicznym fazy I/II dotyczącym leczenia raka trzustki u pacjentów i został niedawno uznany przez Europejską Agencję Leków (EMEA) za lek sierocy w Europa. Kolejne badanie kliniczne fazy I/II z użyciem tego samego produktu potwierdziło wyniki pierwszego badania, wykazując przybliżone podwojenie czasu przeżycia u pacjentów z rakiem trzustki w IV stadium zaawansowania. We wszystkich tych badaniach z użyciem siarczanu celulozy, oprócz wyraźnego działania przeciwnowotworowego, kapsułki były dobrze tolerowane i nie zaobserwowano żadnych działań niepożądanych, takich jak odpowiedź immunologiczna na kapsułki, co wskazuje na biokompatybilny charakter kapsułek z siarczanem celulozy. U jednego pacjenta kapsułki były na miejscu przez prawie 2 lata bez skutków ubocznych.
Badania te wskazują na obiecujące potencjalne zastosowanie mikrokapsułek komórkowych w leczeniu nowotworów. Jednak rozwiązania problemów, takich jak odpowiedź immunologiczna prowadząca do zapalenia otaczającej tkanki w miejscu implantacji kapsułki, muszą zostać szczegółowo zbadane, zanim możliwe będzie przeprowadzenie większej liczby badań klinicznych.
Choroby serca
Liczne badania poświęcono opracowaniu skutecznych metod umożliwiających regenerację tkanki mięśnia sercowego u pacjentów po chorobie niedokrwiennej serca. Pojawiające się podejście do rozwiązania problemów związanych z naprawą niedokrwiennej tkanki polega na zastosowaniu terapii opartej na komórkach macierzystych. Jednak rzeczywisty mechanizm, dzięki któremu ta terapia oparta na komórkach macierzystych ma generatywny wpływ na czynność serca, jest nadal badany. Chociaż zbadano wiele metod podawania komórek, skuteczność liczby komórek zatrzymanych w bijącym sercu po implantacji jest nadal bardzo niska. Obiecującym podejściem do przezwyciężenia tego problemu jest zastosowanie terapii mikroenkapsulacji komórek, która, jak wykazano, umożliwia wyższą retencję komórek w porównaniu z wstrzyknięciem wolnych komórek macierzystych do serca.
Inną strategią poprawy wpływu techniki kapsułkowania opartej na komórkach w zastosowaniach regeneracyjnych serca jest zastosowanie genetycznie zmodyfikowanych komórek macierzystych zdolnych do wydzielania czynników angiogennych, takich jak czynnik wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF), które stymulują neowaskularyzację i przywracają perfuzję w uszkodzonym niedokrwionym sercu. Przykład tego pokazano w badaniu Zang i in. gdzie genetycznie zmodyfikowane ksenogeniczne komórki CHO wyrażające VEGF zostały zamknięte w mikrokapsułkach z alginianu-polilizyny-alginianu i wszczepione do mięśnia sercowego szczura. Zaobserwowano, że kapsułkowanie chroniło komórki przed odpowiedzią immunologiczną przez trzy tygodnie, a także prowadziło do poprawy stanu tkanki serca po zawale z powodu zwiększonej angiogenezy.
Terapia przeciwciałami monoklonalnymi
Zastosowanie przeciwciał monoklonalnych w terapii jest obecnie szeroko rozpowszechnione w leczeniu nowotworów i chorób zapalnych. Korzystając z technologii siarczanu celulozy, naukowcom udało się zamknąć w kapsułkach komórki hybrydoma wytwarzające przeciwciała i zademonstrować późniejsze uwalnianie terapeutycznego przeciwciała z kapsułek. Kapsułki zawierające komórki hybrydomy wykorzystano w badaniach przedklinicznych do dostarczenia neutralizujących przeciwciał przeciwko mysiemu retrowirusowi FrCasE, skutecznie zapobiegając chorobie.
Inne warunki
Wiele innych schorzeń było ukierunkowanych na terapie kapsułkujące, zwłaszcza te związane z niedoborem niektórych białek pochodzenia biologicznego. Jednym z najbardziej udanych podejść jest zewnętrzne urządzenie, które działa podobnie do aparatu do dializy , tylko ze zbiornikiem świńskich hepatocytów otaczających półprzepuszczalną część rurki, do której podaje się krew. To urządzenie może usuwać toksyny z krwi pacjentów cierpiących na ciężką niewydolność wątroby . Inne zastosowania, które wciąż są w fazie rozwoju, obejmują komórki, które wytwarzają czynnik neurotroficzny pochodzenia rzęskowego do leczenia ALS i choroby Huntingtona , czynnik neurotroficzny pochodzenia glejowego w chorobie Parkinsona , erytropoetynę w przypadku niedokrwistości i HGH w przypadku karłowatości . Ponadto choroby monogenowe, takie jak hemofilia, choroba Gauchera i niektóre zaburzenia związane z mukopolisacharydami , mogą również potencjalnie być celem dla otoczkowanych komórek wyrażających białko, którego w przeciwnym razie brakuje pacjentowi.