Credito:
Nature Biomedical Engineering (2023).
DOI: 10.1038/s41551-023-01016-2
Per gli oltre 70 milioni di persone in tutto il mondo che vivono con il diabete di tipo 1, fare in modo che un sistema immunitario ospite tolleri la presenza di cellule secernenti insulina impiantate potrebbe cambiare la vita.
Il bioingegnere della Rice University Omid Veiseh e collaboratori hanno identificato nuove formulazioni di biomateriali che possono aiutare a voltare pagina sul trattamento del diabete di tipo 1, aprendo la porta a un modo più sostenibile, a lungo termine e autoregolato per gestire la malattia.
Per fare ciò, hanno sviluppato una nuova tecnica di screening che prevede l’etichettatura di ogni formulazione di biomateriale in una libreria di centinaia con un “codice a barre” univoco prima di impiantarli in soggetti vivi.
Secondo lo studio su Nature Biomedical Engineering , l’utilizzo di una delle formulazioni di alginato per incapsulare le cellule delle isole umane che secernono insulina ha fornito un controllo a lungo termine del livello di zucchero nel sangue nei topi diabetici. I cateteri rivestiti con altri due materiali ad alte prestazioni non si sono intasati.
“Questo lavoro è stato motivato da un grande bisogno insoddisfatto”, ha detto Veiseh, assistente professore di bioingegneria alla Rice e studioso del Cancer Prevention and Research Institute of Texas. “Nei pazienti con diabete di tipo 1 , il sistema immunitario del corpo attacca le cellule del pancreas che producono insulina. Quando queste cellule vengono uccise, il paziente perde la capacità di regolare la glicemia”.
Per decenni, gli scienziati hanno lavorato verso quello che Veiseh ha definito un obiettivo del “Santo Graal” di alloggiare le cellule delle isole all’interno di una matrice porosa fatta di un materiale protettivo che avrebbe consentito alle cellule di accedere all’ossigeno e ai nutrienti senza essere colpite dal sistema immunitario dell’ospite.
Tuttavia, i materiali con una biocompatibilità ottimale si sono rivelati molto difficili da trovare, in parte a causa dei vincoli di screening. Da un lato, la risposta del sistema immunitario a un dato biomateriale impiantato può essere valutata solo in un ospite vivo.
“Il problema è che la risposta immunitaria deve essere studiata all’interno del corpo di questi topi diabetici, non in una provetta “, ha detto Boram Kim, uno studente laureato nel laboratorio Veiseh e co-autore principale dello studio. “Ciò significa che se si desidera eseguire lo screening di queste centinaia di molecole di alginato, è necessario disporre di centinaia di soggetti di test sugli animali. La nostra idea era di eseguire lo screening di centinaia di biomateriali contemporaneamente, nello stesso soggetto di test”.
D’altra parte, diverse formulazioni di biomateriali hanno lo stesso aspetto, rendendo impossibile identificare quelle ad alte prestazioni in assenza di qualche tratto rivelatore. Ciò ha reso impossibile testare più di un biomateriale per ospite.
“Sono materiali diversi ma hanno lo stesso aspetto”, ha detto Veiseh. “E una volta impiantati nel corpo di un soggetto di prova e poi estratti di nuovo, non siamo in grado di distinguere tra i materiali e non saremmo in grado di identificare quale formulazione del materiale ha funzionato meglio”.
Per superare questi vincoli, Veiseh e collaboratori hanno escogitato un modo per etichettare ogni formulazione di alginato con un “codice a barre” univoco che ha permesso loro di identificare quelle con le migliori prestazioni.
“Abbiamo accoppiato ogni biomateriale modificato con cellule endoteliali della vena ombelicale umana (HUVEC) di un donatore diverso”, ha detto Kim.
“Le cellule HUVEC, poiché provengono da donatori unici, fungono da codice a barre che ci consente di stabilire quale materiale è stato utilizzato inizialmente”, ha aggiunto Veiseh. “I vincitori sono quelli che contengono cellule vive . Una volta che li abbiamo trovati, abbiamo sequenziato il genoma di quelle cellule e abbiamo capito quale materiale era accoppiato con esso. È così che abbiamo scoperto i più grandi successi”.
Sono in corso prove per l’uso di cellule insulari derivate da cellule staminali nei pazienti diabetici. Tuttavia, gli attuali trattamenti delle isole richiedono l’immunosoppressione, rendendolo un modo faticoso per trattare il diabete di tipo 1.
“Attualmente, per utilizzare le cellule delle isole impiantate nei pazienti diabetici, è necessario sopprimere l’intero sistema immunitario, proprio come se si stesse tentando di eseguire un trapianto di organi”, ha affermato Veiseh. “Ciò comporta molte complicazioni per il paziente.”
“Possono sviluppare il cancro, non possono combattere le infezioni, quindi, per la stragrande maggioranza dei pazienti, è meglio fare effettivamente la terapia insulinica dove si iniettano da soli. Con questa strategia di incapsulamento del biomateriale, non è necessaria alcuna immunosoppressione”.
Il posizionamento di vere cellule HUVEC all’interno delle capsule di biomateriali ha aumentato la probabilità che il sistema immunitario dell’ospite rilevi una presenza estranea. Ciò rende l’esperimento più robusto del semplice test della risposta immunitaria ai soli biomateriali.
“Volevamo testare una libreria di questi materiali, con la pressione selettiva di avere cellule all’interno delle perline che rende più difficile per il materiale non essere notato dal sistema immunitario”, ha detto Veiseh. “C’è molto interesse da parte di tutti i produttori di cellule insulari per poter eliminare l’immunosoppressione e utilizzare invece queste matrici di idrogel di alginato per proteggere le cellule impiantate”.
Il nuovo approccio “codice a barre” ad alto rendimento può essere implementato per lo screening di altre applicazioni mediche utilizzando un minor numero di soggetti di test dal vivo.
“Questo in realtà alimenta molti altri progetti nel mio laboratorio in cui stiamo facendo produzione biologica da cellule per altre indicazioni di malattie”, ha detto Veiseh. “Le stesse modifiche possono essere applicate a tutti i tipi di materiali che entrano nel corpo. Questo non è limitato solo al trapianto di cellule. La tecnologia che abbiamo sviluppato può essere abbinata a molti concetti di dispositivi diversi”.
“Ad esempio, alcuni pazienti diabetici utilizzano sistemi di pompaggio automatizzati per autosomministrarsi l’insulina. I cateteri su questi sistemi di pompaggio devono essere sostituiti ogni pochi giorni perché si intasano. Siamo stati in grado di dimostrare che il rivestimento dei cateteri con questi nuovi materiali ha impedito l’intasamento .”
“Con questa nuova tecnologia di codici a barre basata su cellule, la ricerca sui biomateriali ha appena ricevuto una spinta senza precedenti che accelererà la traduzione in prodotti clinicamente applicabili e la renderà più accessibile”, ha affermato il dott. José Oberholzer, chirurgo dei trapianti e bioingegnere presso l’Università della Virginia .
“Si tratta di un vero e proprio cambio di paradigma. Con questo metodo ora possiamo vagliare centinaia di biomateriali contemporaneamente e selezionare quelli che il corpo umano non rifiuta. Possiamo proteggere gli innesti cellulari dagli assalti del sistema immunitario, senza bisogno di immunosoppressori farmaci”, ha aggiunto Oberholzer.
L’ex professore di bioingegneria della Rice e attuale CEO di NuProbe negli Stati Uniti, David Zhang, ha osservato che ” il sequenziamento del DNA ad alto rendimento ha rivoluzionato molti campi biomedici”.
“Sono lieto di lavorare con Omid per consentire lo sviluppo di biomateriali migliorati utilizzando l’esperienza del mio team nel sequenziamento del DNA”, ha aggiunto Zhang, che era un co-investigatore della sovvenzione. “Questi biomateriali migliorati possono consentire a terapie cellulari impiantate durevoli di funzionare come fabbriche di farmaci viventi e possono avere un impatto positivamente dirompente sui pazienti con una varietà di malattie croniche”.
Maggiori informazioni: Sudip Mukherjee et al, Screening degli idrogel per le proprietà antifibrotiche mediante l’impianto di alginati cellulari con codice a barre nei topi e in un primate non umano, Nature Biomedical Engineering (2023). DOI: 10.1038/s41551-023-01016-2