Cellule delle isole pancreatiche incapsulate insieme a microsfere che rilasciano un farmaco che aumenta la vitalità in ambienti a basso contenuto di ossigeno. Le microsfere hanno delle frecce che le puntano; le macchie più grandi sono le cellule. Credito:Kevin Kim
Una microsfera contenente farmaci all'interno di una microcapsula contenente cellule potrebbe essere la chiave per trapiantare cellule di pancreas di maiale che secernono insulina in pazienti umani le cui cellule sono state distrutte dal diabete di tipo I.
In un nuovo studio in vitro degli ingegneri dell'Università dell'Illinois, le cellule che secernono insulina, chiamate isolette, hanno mostrato una maggiore vitalità e funzionalità dopo aver trascorso 21 giorni all'interno di minuscole capsule contenenti capsule ancora più piccole contenenti un farmaco che rende le cellule più resistenti alla privazione di ossigeno. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Consegna di farmaci e ricerca traslazionale .
I ricercatori hanno esplorato modi per trapiantare le isole pancreatiche per trattare il diabete di tipo I a lungo termine, eliminando la necessità di monitoraggio continuo del glucosio e iniezioni di insulina. Però, ci sono una serie di sfide a questo approccio.
"Primo, hai bisogno di isolotti vitali che siano anche funzionali, in modo che secernono insulina quando esposti al glucosio, " ha detto il professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Illinois Kyekyoon "Kevin" Kim, capofila del nuovo studio. Gli isolotti degli umani sono scarsi, Egli ha detto, ma il tessuto di maiale è in abbondanza, e l'insulina di maiale è stata usata per curare il diabete fin dagli anni '20.
Una volta che le isole vengono isolate dal tessuto, la prossima grande sfida è mantenerli vivi e funzionanti dopo il trapianto.
Per impedire alle cellule trapiantate di interagire con il sistema immunitario del ricevente, sono confezionati in piccoli, capsule semipermeabili. Le dimensioni e la porosità della capsula sono importanti per consentire all'ossigeno e ai nutrienti di raggiungere le isole tenendo fuori le cellule immunitarie.
Il metodo sviluppato dagli ingegneri dell'Illinois consente loro di realizzare piccoli, capsule uniformi e controllo delle dimensioni, consentendo una tecnica capsula nella capsula. Credito:Kevin Kim
"Le prime settimane dopo il trapianto sono molto cruciali perché queste isole hanno bisogno di ossigeno e sostanze nutritive, ma non hanno vasi sanguigni per fornirli, " disse Hyungsoo Choi, co-leader dello studio e ricercatore senior in ingegneria elettrica e informatica presso l'Illinois. "In modo più critico, la mancanza di ossigeno è molto tossica. si chiama ipossia, e questo distruggerà gli isolotti".
Kim e Choi hanno sviluppato metodi per realizzare tali microcapsule per varie applicazioni ingegneristiche e si sono resi conto che potevano utilizzare le stesse tecniche per realizzare microcapsule per applicazioni biologiche, come la somministrazione di farmaci e il trapianto di cellule. Il loro metodo consente loro di utilizzare materiali ad alta viscosità, per controllare con precisione le dimensioni e le proporzioni delle capsule, e per produrre microcapsule di dimensioni uniformi con un'elevata produttività.
"Per un paziente tipico avresti bisogno di circa 2 milioni di capsule. La produzione con qualsiasi altro metodo che conosciamo non può soddisfare facilmente questa domanda. Abbiamo dimostrato che possiamo produrre 2 milioni di capsule nel giro di 20 minuti circa, " ha detto Kim.
Con un tale controllo e un'elevata capacità di produzione, i ricercatori sono stati in grado di creare minuscole microsfere caricate con un farmaco che migliora la vitalità cellulare e che funziona in condizioni di ipossia. Le microsfere sono state progettate per fornire un rilascio prolungato del farmaco nell'arco di 21 giorni. I ricercatori hanno confezionato isolotti di maiale e microsfere insieme all'interno di microcapsule, e nelle tre settimane successive li ha confrontati con isole incapsulate che non avevano le microsfere contenenti farmaco.
Dopo 21 giorni, circa il 71 percento delle isole confezionate con le microsfere a rilascio di farmaco è rimasto vitale, mentre solo il 45% circa degli isolotti incapsulati da soli è sopravvissuto. Le cellule con le microsfere hanno anche mantenuto la loro capacità di produrre insulina in risposta al glucosio a un livello significativamente più alto rispetto a quelle senza le microsfere.
Prossimo, i ricercatori sperano di testare la loro tecnica di microsfere all'interno di una microcapsula in piccoli animali prima di dedicarsi a sperimentazioni su animali o umani più grandi.
