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MIT: Le basi per realizzare un pancreas bioartificiale

I ricercatori del MIT stanno testando cellule insule pancreatiche incapsulate come possibile trattamento per il diabete. Queste capsule da 1,5 mm sono incorporate con un composto contenente fluoro che consente ai ricercatori di monitorare i livelli di ossigeno con la risonanza magnetica una volta impiantati nel corpo.

Il metodo di monitoraggio dell’ossigeno potrebbe migliorare il trattamento del diabete. le misurazioni potrebbero aiutare gli scienziati a sviluppare progetti migliori per un pancreas artificiale.

CAMBRIDGE, MA – Trapiantare le cellule pancreatiche delle isole in pazienti con diabete tipo 1 è un’alternativa promettente alle iniezioni giornaliere di insulina che molti di questi pazienti ora richiedono. Queste cellule potrebbero agire come un pancreas artificiale, monitorando i livelli di glucosio nel sangue e secernendo insulina quando necessario.

Pubblicità e progresso

Affinché questo tipo di trapianto abbia successo, gli scienziati devono assicurarsi che le cellule impiantate ricevano abbastanza ossigeno, di cui hanno bisogno per produrre insulina e rimanere vitali. Gli ingegneri del MIT hanno ora escogitato un modo per misurare i livelli di ossigeno di queste cellule per lunghi periodi di tempo negli animali viventi, il che dovrebbe aiutarli a prevedere quali impianti saranno più efficaci.

In un documento apparso negli Proceedings of National Academy of Sciences la settimana del 25 febbraio, i ricercatori hanno dimostrato che potevano usare questo metodo, un tipo specializzato di risonanza magnetica (MRI), per monitorare il livello di ossigeno delle cellule impiantate in la cavità intraperitoneale (IP) dei topi cambia mentre si muovono attraverso la cavità per un periodo prolungato di tempo.

“Il nostro obiettivo è creare fabbriche cellulari viventi in grado di fornire farmaci a richiesta per i pazienti. La capacità di monitorare la fornitura di ossigeno e la posizione delle cellule impiantate ci aiuterà a capire meglio come costruire e utilizzare terapie di successo”, afferma Daniel Anderson, un professore associato nel Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT, membro del Koch Institute del MIT per la Ricerca sul Cancro e dell’Istituto di Ingegneria e Scienza Medica (IMES), e autore senior dello studio.

Virginia Spanoudaki, il direttore scientifico del Koch Institute Animal Imaging e Preclinical Testing Core Facility, è l’autore principale dello studio. Altri autori includono i ricercatori del MIT Joshua Doloff e Shady Farah, lo scienziato ricercatore Wei Huang, l’ex affiliato alla ricerca Samuel Norcross e il professor Robert Langer del David H. Koch Institute.

Misurazioni migliori

Negli ultimi anni, Anderson, Langer e i loro colleghi hanno sviluppato cellule impiantabili incapsulate in particelle di alginato, una molecola di amido presente naturalmente nelle alghe. Tali particelle potrebbero essere utilizzate per sostituire le cellule pancreatiche delle isole di persone con diabete di tipo 1, che non funzionano correttamente.

In uno studio precedente, i ricercatori hanno scoperto che particelle più grandi, con un diametro di 1,5 millimetri, mantengono la loro funzione più a lungo di particelle più piccole (diametro di 0,5 millimetri), in parte perché le particelle più piccole tendono a circondarsi di tessuto cicatriziale, che blocca il loro accesso all’ossigeno.

Tuttavia, rimanevano ancora domande sul ruolo dell’ossigeno nel destino di queste cellule impiantate. Le particelle possono muoversi attraverso lo spazio IP una volta impiantate, il che rende importante il loro monitoraggio ed esposizione all’ossigeno. Diverse parti dello spazio IP contengono vari livelli di ossigeno, e studi precedenti avevano dimostrato che le particelle più piccole tendono a raggrupparsi in chiazze di grasso, che hanno meno ossigeno, contribuendo al loro fallimento.

I microsensori ottici che sono tipicamente utilizzati per misurare i livelli di ossigeno nei tessuti viventi sono molto fragili e invasivi, quindi il team del MIT ha deciso di provare un approccio alternativo: la risonanza magnetica del fluoro, una tecnica precedentemente sviluppata che altri ricercatori hanno utilizzato per tracciare le cellule viventi. Mentre la risonanza magnetica tradizionale misura le interazioni tra un campo magnetico e nuclei di idrogeno, la risonanza magnetica del fluoro può misurare interazioni simili tra un campo magnetico e nuclei di fluoro, nonché il modo in cui queste interazioni sono influenzate dalla presenza di ossigeno.

Per eseguire lo studio, i ricercatori hanno incorporato un materiale contenente fluoro chiamato emulsione perfluorocarburica nell’alginato che normalmente usano per incapsulare le loro cellule di isole. Hanno testato particelle con diametro di 0,5 e 1,5 millimetri, in entrambi i topi diabetici e non diabetici. I topi non diabetici hanno ricevuto impianti alginati senza cellule all’interno, mentre i topi diabetici hanno ricevuto impianti con cellule pancreatiche.

I ricercatori hanno quindi utilizzato la risonanza magnetica del fluoro per misurare i livelli di ossigeno nello spazio IP per un periodo di tre mesi. Allo stesso tempo, hanno anche misurato i livelli di glucosio nel sangue dei topi diabetici. Per aiutarli ad analizzare i dati risultanti, i ricercatori hanno utilizzato un algoritmo di apprendimento automatico per esaminare tutte le immagini e trovare associazioni tra le posizioni delle capsule all’interno dello spazio IP, i livelli di ossigeno e di glucosio nel sangue dei topi.

“Questo tipo di studi di imaging coinvolge una molteplicità di dati, e lo screening di tutte queste immagini 2D e prendere decisioni su come la posizione delle capsule influenza la concentrazione di ossigeno, questa è estremamente difficile e molto soggetta a errori quando viene eseguita da un osservatore umano” Spanoudaki dice. “Quindi ci siamo basati sull’apprendimento automatico per passare automaticamente attraverso le immagini e trovare associazioni tra le posizioni delle capsule e altri parametri.”

Questa analisi ha rivelato che le capsule più piccole producono abbastanza insulina per il trattamento dei topi diabetici durante i primi 30 giorni di trattamento, ma poi tendono ad organizzarsi in grandi gruppi e ad accumularsi nelle aree grasse delle estremità degli animali. Una volta che le particelle si sono bloccate in queste regioni private di ossigeno, i livelli di glucosio nel sangue aumentano nei topi.

Le capsule più grandi tendevano a diffondersi su un’area più ampia, in modo che alcune di esse finissero in aree a bassa contenuto di ossigeno e altre in aree ad alto. Nel complesso, le cellule hanno secreto abbastanza insulina per mantenere i livelli di glucosio nel sangue dei topi diabetici stabili per diversi mesi.

Verso un pancreas artificiale

Sigilon Therapeutics, una società fondata da Langer, Anderson e altri per sviluppare ulteriormente il pancreas artificiale, spera di iniziare a testare le cellule isolanti impiantabili nei pazienti all’inizio del prossimo anno, afferma Anderson. La nuova tecnica di misurazione dell’ossigeno potrebbe potenzialmente essere adattata per l’uso in animali più grandi, compresi gli umani, aiutando a guidare lo sviluppo di future versioni delle isole incapsulate, dicono i ricercatori.

“In base alle misurazioni su animali più grandi, vorremmo capire se ci sono diversi modi per progettare il pancreas artificiale, in modo che questa aggregazione di capsule la quale potenzialmente si traduce in poca ossigenazione, non avvenga”, afferma Spanoudaki. “Speriamo di usarlo come guida per realizzare progetti migliori per il pancreas artificiale”.

I ricercatori sperano anche di adattare la tecnologia della risonanza magnetica del fluoro per studiare come i livelli di ossigeno influenzano altri tipi di processi cellulari come la metastasi e l’attivazione delle cellule immunitarie.

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