„Deguonis ląstelėms“: paprastas implantas padėjo sumažinti cukraus kiekį kraujyje be stiprių vaistų

Žurnale „Nature Communications“ aprašytas naujas „deguonies“ implantas 1 tipo diabetui gydyti: kompaktiškas elektrocheminis deguonies generatorius (iEOG) nuolat tiekia O₂ į makrokapsulę su insuliną išskiriančiomis ląstelėmis. Ši sistema leidžia sandariai supakuoti izoliuotas saleles (iki 60 000 IEQ/ml) ir išlaikyti jų gyvybingumą bei sekreciją net esant mažam deguonies kiekiui. Žiurkėms, sergančioms diabetu, po oda implantuotas prietaisas palaikė normalų cukraus kiekį iki trijų mėnesių – be imunosupresijos. Kontrolinės žiurkės, be deguonies, išliko hiperglikemiškos.

Fonas

• Pagrindinė techninė problema yra deguonis. Kai tik „paslepiame“ ląsteles už membranos ir įkišame prietaisą po oda (patogiai ir lengvai ištraukiamą), joms trūksta deguonies: difuzija per membraną ir prastai vaskuliarizuotą vietą netenkina „riebių“ salelių poreikių. Todėl ląstelės anksti žūsta, joms silpnai veikia ir reikia labai praretinti sėklas – kitaip kapsulė tampa milžiniška.
• Kodėl tai taip fiziškai sunku? Deguonis per audinius prasiskverbia tik labai trumpais atstumais, o kapsulėje esančios ląstelės neturi savo kraujagyslių – pirmuosius mėnesius jos gyvena tik dėl pasyvios difuzijos. Bet koks medžiagų sutirštėjimas ar ląstelių „suspaudimas“ greitai perkelia kapsulės centrą į hipoksiją.
• Ką esate bandę anksčiau?
  • Jie pagamino deguonimi užpildomus makroelementus (pavyzdžiui, „βAir“): jų viduje yra rezervuaras, kuris kasdien papildomas deguonimi; buvo atlikti ikiklinikiniai ir ankstyvieji klinikiniai tyrimai. Tai veikia, bet pacientui tai yra daug darbo reikalaujantis prietaisas.
  • Buvo išbandyti cheminiai O₂ donorai ir „nešiklių“ medžiagos (perfluoro junginiai): jie padeda, bet duoda trumpalaikį ir sunkiai kontroliuojamą poveikį. Taip pat atsirado „oro“ rėmai, skirti pagreitinti O₂ patekimą į gelio storį.
  • Pačios kapsulės ir implantacijos vietos (plonos membranos, prevaskuliarizacija) buvo patobulintos, tačiau be išorinio O₂ šaltinio jos vis dar pasiekia ląstelių tankio ribas.
• Kokią dėlionės spragą užpildo naujasis darbas? „Nature Communications“ autoriai parodo nuolatinį deguonies tiekimą iš mini generatoriaus tiesiai makrokapsuliacijos sistemos viduje: prietaisas paima vandenį iš audinių ir elektrochemiškai išskiria O₂, kuris tolygiai „kvėpuoja“ palei kapsulę su ląstelėmis. Idėja yra suteikti kapsulei „savo akvariumo kompresorių“, kad ji galėtų supakuoti daugiau ląstelių ir vis tiek išlaikyti jas gyvas ir veikiančias – net ir poodinėje, nelabai „deguonimi prisotintoje“ vietoje.

Kodėl tai apskritai būtina?

Salelių arba beta ląstelių transplantacija yra vienas perspektyviausių būdų „funkciniam 1 tipo diabeto išgydymui“. Tačiau yra dvi pagrindinės kliūtys:

1. Imunitetas – paprastai reikia visą gyvenimą trunkančių imunosupresantų;
2. Deguonies badas – kapsulės, kurios apsaugo imuninę sistemą, vienu metu atjungia ląsteles nuo kraujagyslių, o beta ląstelės, kurios ėda deguonį, greitai „uždus“. Naujasis darbas pasiekia antrąjį barjerą: jis suteikia kapsulei nuosavą, kontroliuojamą deguonies šaltinį.

Kaip veikia implantas

• Dvi dalys. Titano korpuse yra mini deguonies generatorius (iEOG), kuris iš intersticinio skysčio išskiria vandenį ir elektrolizės būdu išskiria O₂; šalia jo yra plona linijinė kapsulė su ląstelėmis (panaši į ilgą „dešrą“), per kurią praeina dujoms pralaidus vamzdelis: deguonis tolygiai absorbuojamas per visą kapsulę. Tarp ląstelių ir audinių yra pusiau pralaidi membrana (elektrosukimas + alginatas): gliukozė ir insulinas praeina, imuninės ląstelės – ne.
• Matmenys: Antroji iEOG versija yra 13 mm skersmens ir 3,1 mm storio, sveria apie 2 g. Suporavus ją su kapsule, tokią sistemą galima įdėti ir išimti per mažą pjūvį, o tai svarbu saugumui.
• Produktyvumas. Generatorius pagamina ~1,9–2,3 cm³ O₂/h ir palaiko nurodytą srautą mėnesius ir net metus (ilgalaikių bandymų metu druskos tirpale – iki 2,5 metų), o po implantavimo žiurkėms šis lygis buvo išlaikytas. Toks srautas apskaičiuotas taip, kad patenkintų šimtų tūkstančių salelių ekvivalentų poreikius – tiek, kiek reikia žmogui.

Ką parodė eksperimentai

• In vitro: Esant 1 % O₂ (sunki hipoksija), deguonis palaikė gyvybingumą ir sekreciją INS-1 agregatuose ir žmogaus salelėse, supakuotose labai tankiu sluoksniu (60 000 IEQ/ml).
• In vivo (žiurkės). Po poodinės implantacijos alogeninio diabeto modelyje, iEOG sistema normalizavo glikemiją iki 3 mėnesių be imunosupresijos; prietaisai be deguonies neturėjo jokio poveikio. Histologinis tyrimas aplink generatorių neparodė jokių reikšmingų nepageidaujamų reakcijų.

Kodėl tai svarbu klinikai?

• Žingsnis „realistiškų matmenų“ link. Norint suaugusiam žmogui suteikti 300–770 tūkstančių IEQ dozę, kapsulė turi būti sandariai supakuota – tai visada ribojo deguonis. Kontroliuojamas O₂ tiekimas „panaikina tankio lubas“ ir suteikia galimybę padaryti prietaisą pakankamai kompaktišką realiai implantacijai.
• Plius patogumas. Anksčiau bandėme cheminius deguonies donorus (peroksidus) – jie veikia neilgai ir yra nekontroliuojami, taip pat O₂ rezervuarus, kurie kasdien „papildomi“ per odą – sudėtingi ir nepatogūs. Čia deguonis tiekiamas nuolat ir išmatuotomis dozėmis, be injekcijų.

Įspūdį paliekančios techninės detalės

• Vandens šaltinis yra audiniai. iEOG pro porėtą „langą“ sugeria intersticinio skysčio garus, o tada klasikiniu membranos-elektrodo mazgu (MEA) ir 1,4–1,8 V įtampa vanduo atskiriamas į H₂ ir O₂; dujos pašalinamos per skirtingus kanalus.
• Patvarumas. Trys fiziologiniame tirpale esantys prietaisai veikė nuolatine srove 11 mėnesių, 2 metus ir 2,5 metų, deguonies srautui nesumažėjus jų veikimui; po implantavimo imunodeficitinėms ir imunokompetencinėms žiurkėms, jų veikimas išliko.

Apribojimai ir „kas toliau“

Tai vis dar ikiklinikinė stadija: žiurkės, didelis tankis kapsulėje, deguonies tiekimas – viskas puiku, bet svarbiausi bandymai dar laukia:

• pritaikant dozes žmonėms ir laikotarpius;
• elektrochemikų patikimumas ir maitinimo šaltiniai žmogaus kūne daugelį metų (maitinimo šaltinio architektūra straipsnyje nėra išsamiai aprašyta);
• fibrozės aplink kapsules sumažinimas ir difuzijos stabilumas;
• bandymai su beta kamieninėmis ląstelėmis ir modeliais, artimesniais žmonėms. Autoriai atvirai lygina savo sprendimą su ankstesniais metodais ir pateikia jį kaip kliniškai transliuojamų kapsulių platformą.

Išvada

Kad persodintos beta ląstelės galėtų gyventi ir funkcionuoti be imunosupresantų, jos turi kvėpuoti. Kornelio universiteto ir partnerių komanda parodė, kad linijinėje kapsulėje įmontuotas mini deguonies generatorius gali pakankamai ilgai ir tolygiai „maitinti“ ląsteles O₂, kad jos atlaikytų didelį tankį ir sumažintų cukraus kiekį net poodinėje vietoje. Iki klinikinio sprendimo dar toli, tačiau inžinerinė logika paprasta ir graži – duoti ląstelėms oro ten, kur jo trūksta.