"Hapnik rakkudele": lihtne implantaat aitas alandada suhkrutaset ilma tugevate ravimiteta

Ajakirjas Nature Communications kirjeldati uut 1. tüüpi diabeedi raviks mõeldud „hapniku“ implantaati: kompaktne elektrokeemiline hapnikugeneraator (iEOG) varustab pidevalt O₂-ga insuliini eritavaid rakke sisaldavat makrokapslit. See süsteem võimaldab isoleeritud saarekesi tihedalt pakkida (kuni 60 000 IEQ/ml) ning säilitab nende elujõulisuse ja sekretsiooni isegi madala hapnikusisaldusega tingimustes. Diabeediga rottidel säilitas naha alla implanteeritud seade normaalse suhkrutaseme kuni kolm kuud – ilma immunosupressioonita. Kontrollrottidel, kellel puudus hapnik, püsis hüperglükeemia.

Taust

• Peamine tehniline probleem on hapnik. Niipea kui rakud membraani taha „peidame“ ja seadme naha alla paneme (mugavalt ja lihtsalt eemaldatav), jääb neil hapnik puudu: difusioon läbi membraani ja halvasti veresoonde sattunud koha ei rahulda „ablaste“ saarekeste vajadusi. Seega varajane surm, nõrk töö ja vajadus külvi oluliselt hõrendada – vastasel juhul osutub kapsel tohutuks.
• Miks on see füüsiliselt nii raske? Hapnik läbib kudesid vaid väga lühikesi vahemaid ja kapseldatud rakkudel pole oma veresooni – esimestel kuudel elavad nad ainult passiivse difusiooni tõttu. Igasugune materjalide paksenemine või rakkude "tihendumine" viib kapsli keskpunkti kiiresti hüpoksiasse.
• Mida sa oled varem proovinud?
  • Nad valmistasid hapnikuga täidetavaid makroseadmeid (näiteks βAir): sees on reservuaar, mida iga päev hapnikuga täiendatakse; on tehtud prekliinilisi ja varajasi kliinilisi uuringuid. See toimib, aga on patsiendi jaoks töömahukas.
  • Prooviti keemilisi O₂ doonoreid ja "kandja" materjale (perfluoroühendid): need aitavad, kuid annavad lühiajalise ja raskesti kontrollitava efekti. Samuti ilmusid "õhu" raamid O₂ kiiremaks manustamiseks geeli paksusesse.
  • Kapslid ise ja implanteerimiskohad (õhukesed membraanid, prevaskularisatsioon) paranesid, kuid ilma välise O₂ allikata jäävad need endiselt rakkude tiheduse piiridesse.
• Millise lünga pusles uus töö täidab? Ajakirja Nature Communications autorid näitavad pidevat hapnikuvarustust minigeneraatorist otse makrokapseldussüsteemi sees: seade võtab kudedest vett ja vabastab elektrokeemiliselt O₂, mis ühtlaselt "hingab" mööda rakkudega kapslit. Idee on anda kapslile oma "akvaariumikompressor", et see saaks pakkida rohkem rakke ja hoida neid samal ajal elus ja töökorras – isegi nahaaluses, mitte eriti "hapnikuga rikastatud" kohas.

Miks see üldse vajalik on?

Saarerakkude või beetarakkude siirdamine on üks paljulubavamaid viise 1. tüüpi diabeedi „funktsionaalseks raviks“. Kuid on kaks peamist takistust:

1. Immuunsus - tavaliselt nõuab elukestvat immunosupressantide võtmist;
2. Hapnikunälg – immuunsüsteemi kaitsvad kapslid lõikavad samaaegselt rakud veresoontest lahti ja O₂-d janunevad beetarakud „lämbuvad“ kiiresti. Uus töö jõuab teise barjäärini: see annab kapslile oma kontrollitud hapnikuallika.

Kuidas implantaat töötab

• Kaks osa. Titaanist korpuses on mini-hapnikugeneraator (iEOG), mis eraldab rakuvahevedelikust vett ja vabastab elektrolüüsi teel O₂; selle kõrval on õhuke lineaarne kapsel rakkudega (sarnane pikale "vorstile"), millest läbib gaasi läbilaskev toru: hapnik imendub ühtlaselt kogu kapsli ulatuses. Rakkude ja kudede vahel on poolläbilaskev membraan (elektrospinn + alginaat): glükoos ja insuliin läbivad seda, immuunrakud mitte.
• Mõõtmed: iEOG teise versiooni läbimõõt on 13 mm ja paksus 3,1 mm, kaal umbes 2 g. Kapsliga ühendatuna saab sellise süsteemi sisestada ja eemaldada väikese sisselõike kaudu, mis on ohutuse seisukohast oluline.
• Tootlikkus. Generaator toodab ~1,9–2,3 cm³ O₂/h ja hoiab ettenähtud voolu kuude ja isegi aastate jooksul (pikaajalistes katsetes soolalahuses – kuni 2,5 aastat) ning pärast rottidele implanteerimist see tase püsis. Selline vooluhulk on arvutatud nii, et see kataks sadade tuhandete saarekeste ekvivalentide vajadused – suurusjärgus, mida inimene vajab.

Mida katsed näitasid

• In vitro: 1% O₂ kontsentratsiooni juures (raske hüpoksia) säilitas hapnikuga varustatus elujõulisuse ja sekretsiooni INS-1 agregaatides ja inimese saarekestes, mis olid pakitud väga tihedasse kihti (60 000 IEQ/ml).
• In vivo (rotid). Pärast subkutaanset implanteerimist allogeense diabeedi mudelis normaliseeris iEOG-süsteem glükeemiat kuni 3 kuuks ilma immunosupressioonita; hapnikuta seadmetel mingit mõju ei olnud. Generaatori ümbritsevas histoloogias olulisi kõrvaltoimeid ei täheldatud.

Miks see kliiniku jaoks oluline on?

• Samm „realistlike mõõtmete“ suunas. Täiskasvanule 300–770 tuhande IEQ suuruse doosi andmiseks peab kapsel olema tihedalt pakitud – seda on alati piiranud hapnik. Kontrollitud O₂-varustus „eemaldab tiheduse lae“ ja annab võimaluse muuta seade reaalseks implanteerimiseks piisavalt kompaktseks.
• Lisaks mugavus. Varem proovisime keemilisi hapnikudoonoreid (peroksiide) – need ei toimi kaua ja on kontrollimatud, samuti O₂ reservuaare, mida iga päev naha kaudu "täidetakse" – tülikad ja ebamugavad. Siin tarnitakse hapnikku pidevalt ja mõõdetud doosides, ilma süstideta.

Tehnilised detailid, mis avaldavad muljet

• Vee allikaks on kude. iEOG imeb läbi poorse „akna“ interstitsiaalse vedeliku auru ning seejärel eraldatakse vesi klassikalise membraan-elektroodi komplekti (MEA) ja 1,4–1,8 V pinge abil H₂-ks ja O₂-ks; gaasid eemaldatakse erinevate kanalite kaudu.
• Vastupidavus. Kolm soolalahuses olevat seadet töötasid alalisvoolul 11 kuud, 2 aastat ja 2,5 aastat ilma hapnikuvoolu poolt põhjustatud halvenemiseta; pärast immuunpuudulikkusega ja immunokompetentsetele rottidele implanteerimist säilis jõudlus.

Piirangud ja "mis edasi"

See on alles prekliiniline etapp: rotid, kapslis suur tihedus, hapnikuvarustus – kõik on suurepärane, aga olulised testid on veel ees:

• skaleerimine inimese doosidele ja ajaraamidele;
• elektrokeemikute töökindlus ja toiteallikas inimkehas aastaid (toiteallika arhitektuuri artiklis üksikasjalikult ei käsitleta);
• kapslite ümbritseva fibroosi minimeerimine ja difusiooni stabiilsus;
• testimine beeta-tüvirakkudel ja inimestele lähemates mudelites. Autorid võrdlevad oma lahendust avalikult varasemate lähenemisviisidega ja positsioneerivad seda kliiniliselt transleeritavate kapslite platvormina.

Kokkuvõte

Selleks, et siirdatud beetarakud saaksid elada ja toimida ilma immunosupressantideta, peavad nad hingama. Cornelli ja partnerite meeskond näitas, et lineaarsesse kapslisse ehitatud mini-hapnikugeneraator suudab rakke O₂-ga "toita" piisavalt kaua ja ühtlaselt, et need taluksid suurt tihedust ja vähendaksid suhkrut isegi nahaaluses asukohas. Kliinikuni on veel kaugel, kuid inseneriloogika on lihtne ja ilus – anda rakkudele õhku seal, kus seda napib.