Un team di ricercatori della Miller School of Medicine dell’Università di Miami ha sviluppato miglioramenti in un processo di rivestimento in idrogel che riduce le barriere al trapianto nei modelli preclinici.
Uno dei trattamenti più promettenti all’orizzonte per il diabete di tipo 1 è il trapianto di isole donatrici di Langerhans, i gruppi di cellule beta produttrici di insulina che risiedono nel pancreas. Ma la fattibilità di questa procedura deve affrontare alcune delle stesse sfide dei trapianti di organi solidi, tra cui l’autoimmunità, il rigetto del trapianto che richiede immunosoppressione e la scarsa vascolarizzazione.
I test sulla micro e macro-incapsulazione degli isolotti trapiantati hanno prodotto risultati non ottimali. Alla ricerca di soluzioni, i ricercatori della Miller School e del Diabetes Research Institute (DRI), parte di UHealth – University of Miami Health System, hanno sviluppato un metodo fluidico per incapsulare gli isolotti utilizzando un rivestimento conforme con un idrogel bioingegnerizzato. Questo rivestimento è riuscito a fornire la necessaria barriera del sistema immunitario, consentendo la diffusione di importanti nutrienti e molecole bioattive (come glucosio e insulina) tra i tessuti trapiantati e nativi.
Questo processo, qui denominato “metodo diretto”, era superiore ai precedenti metodi di microincapsulazione, ma presentava ancora una serie di durabilità, scalabilità e altre sfide da superare.
Ora il team, guidato da Alice A. Tomei, Ph.D., professore associato di ingegneria biomedica presso la Miller School e direttrice dell’Islet Immunoengineering Laboratory presso il DRI, ha completato i test preliminari di un metodo di reticolazione delle emulsioni, un processo avanzato per formulando questo rivestimento conforme, che affronta queste sfide.
La rivista pubblica i risultati
In un articolo pubblicato di recente sulla rivista Science Advances , il dottor Tomei, Aaron Stock, Ph.D., un borsista post-dottorato che si è unito al laboratorio di Tomei come Ph.D. studente nel 2016, e i loro colleghi, hanno condiviso i risultati dei loro studi preclinici.
“La tecnologia di microincapsulazione del rivestimento conforme è stato un progresso estremamente importante, che ci ha permesso di considerare seriamente la fattibilità del trapianto di isole senza immunosoppressione cronica e sistemica. Come con ogni nuova tecnologia, tuttavia, ci sono delle rughe da appianare”, ha affermato il dottor Tomei. “Siamo stati entusiasti di vedere nei nostri modelli preclinici che avremmo potuto ampiamente superare i principali ostacoli”.
Affrontare gli ostacoli
I ricercatori hanno affrontato tre principali carenze del metodo diretto. Uno era che il processo di rivestimento conforme esponeva le cellule da rivestire a livelli di pH acido, il che ne riduceva la citocompatibilità. Per risolvere questo problema, hanno applicato un’emulsione contenente reticolante che ha consentito la gelificazione dopo, rispetto a prima, l’incapsulamento degli isolotti, evitando la tossicità per gli isolotti. Questo metodo consente anche un aumento di cinque volte della produttività per le diverse centinaia di migliaia di isole che richiede una procedura di trapianto umano.
Una seconda limitazione risiede nella natura del potenziatore di viscosità del peptide che è stato utilizzato come additivo per le soluzioni di rivestimento in idrogel. Questo componente non è altamente biocompatibile e può, infatti, essere immunogenico. Per affrontare questo problema, il team ha rimosso il potenziatore e ha utilizzato polimeri viscosi e minimamente reticolati in combinazione con il metodo di reticolazione in emulsione per aumentare invece adeguatamente la viscosità.
Infine, il metodo di reticolazione in emulsione è stato in grado di mantenere il rivestimento sottile sperimentato dal metodo diretto (consentendo un’adeguata diffusione dei nutrienti, ecc.), ma ha migliorato la sua vitalità e biocompatibilità per renderlo durevole per l’uso implantare a lungo termine.
“In sintesi”, afferma il dott. Tomei, “il metodo di reticolazione dell’emulsione preserva il caratteristico “rivestimento conforme” di un idrogel a base di PEG reticolato in modo covalente sulla superficie dell’isolotto, ma migliora la vitalità dell’isolotto, la resa dell’incapsulamento e l’insulina stimolata dal glucosio secrezione.”
Una raccomandazione e ulteriori studi
Durante il test di questo metodo, il team è anche arrivato a una raccomandazione su dove impiantare gli isolotti.
“Nel nostro laboratorio, il sito di trapianto ottimale era il cuscinetto adiposo gonadico rispetto ad altri siti che sono stati studiati, come i siti sottocutanei (più poveri) e intramuscolari (più poveri)”, ha spiegato il dottor Stock.
Negli ultimi anni, la tecnologia dell’idrogel di grado farmaceutico è stata sfruttata per la somministrazione di farmaci in applicazioni che vanno dalla rigenerazione del nervo ottico alla chemioterapia per il cancro uroteliale.
Poiché l’idrogel è costituito da una massa condensata di polimero organico che racchiude un liquido e può essere semipermeabile, racchiude in modo duraturo fluidi come farmaci o ormoni che possono essere rilasciati nel tempo, consente il rilascio di nutrienti e l’ossigenazione di un organo trapiantato e mitiga anche i rischi di rigetto del trapianto .
Sfruttare la “magia”
“Stiamo lavorando su molti fronti per portare la magia della tecnologia dell’idrogel su problemi che né i fluidi né i solidi possono risolvere”, ha affermato il dottor Tomei. “La capacità di fornire immunoisolamento alle cellule trapiantate senza compromettere la loro secrezione di molecole bioattive potrebbe essere applicabile a molte aree della medicina rigenerativa. Uno è il trapianto di cellule allogeniche per la funzione metabolica, come il trapianto di epatociti nell’insufficienza epatica. Un altro è nel trapianto di cellule staminali per pazienti con lesione del midollo spinale o nel trapianto di cellule epiteliali renali, per ridurre l’infiammazione locale e migliorare la rivascolarizzazione e la rigenerazione”.
Attualmente, il team del Dr. Tomei sta collaborando attivamente con Sernova Corp., che ha concesso in licenza la tecnologia di rivestimento conforme del Dr. Tomei dall’Università di Miami, per aprire la strada a isole sicure ed efficaci di trapianto di Langerhans.
dott. Tomei e Stock sperano di non essere lontani da una cura terapeutica di medicina rigenerativa che non richiederà farmaci immunosoppressori per tutta la vita.
