„Oxigen pentru celule”: un simplu implant a ajutat la scăderea nivelului de zahăr fără medicamente puternice

Un nou implant de „oxigen” pentru tratamentul diabetului de tip 1 a fost descris în Nature Communications: un generator electrochimic compact de oxigen (iEOG) furnizează continuu O₂ unei macrocapsule cu celule secretoare de insulină. Acest sistem permite împachetarea strânsă a insulelor izolate (până la 60.000 IEQ/ml) și menține viabilitatea și secreția acestora chiar și în condiții de oxigen scăzut. La șobolanii cu diabet, dispozitivul implantat sub piele a menținut glicemia normală timp de până la trei luni - fără imunosupresie. Șobolanii de control, fără oxigen, au rămas hiperglicemici.

Fundal

• Principala problemă tehnică este oxigenul. De îndată ce „ascundem” celulele în spatele membranei și punem dispozitivul sub piele (extras convenabil și ușor), acestea duc lipsă de oxigen: difuzia prin membrană, iar locul slab vascularizat nu satisface nevoile insulelor „vorace”. De aici și moartea prematură, munca slabă și necesitatea de a subția considerabil însămânțarea - altfel capsula se dovedește a fi imensă.
• De ce este atât de dificil din punct de vedere fizic? Oxigenul trece prin țesuturi doar pe distanțe foarte scurte, iar celulele încapsulate nu au vase proprii - în primele luni trăiesc doar datorită difuziei pasive. Orice îngroșare a materialelor sau „compactare” a celulelor transferă rapid centrul capsulei în hipoxie.
• Ce ai mai încercat înainte?
  • Au realizat macrodispozitive reîncărcabile cu oxigen (de exemplu, βAir): în interior există un rezervor care este alimentat zilnic cu oxigen; au existat studii preclinice și studii clinice timpurii. Funcționează, dar necesită multă muncă pentru pacient.
  • Au fost încercați donori chimici de O₂ și materiale „purtătoare” (compuși perfluorați): aceștia ajută, dar au un efect scurt și dificil de controlat. Au apărut și cadre „de aer” pentru accelerarea livrării de O₂ în grosimea gelului.
  • Capsulele în sine și locurile de implantare (membrane subțiri, prevascularizare) au fost îmbunătățite, dar fără o sursă externă de O₂, acestea încă se confruntă cu limitele densității celulare.
• Ce lacună în puzzle umple noua lucrare? Autorii revistei Nature Communications prezintă o alimentare continuă cu oxigen de la un mini-generator chiar în interiorul sistemului de macroîncapsulare: dispozitivul preia apă din țesuturi și eliberează electrochimic O₂, care „respiră” uniform de-a lungul capsulei cu celule. Ideea este de a oferi capsulei „propriul său compresor de acvariu”, astfel încât să poată umfla mai multe celule și să le mențină în continuare în viață și funcționale - chiar și într-un loc subcutanat, nu foarte „oxigenat”.

De ce este absolut necesar acest lucru?

Transplantul de insule sau celule beta este una dintre cele mai promițătoare căi către un „vindec funcțional” pentru diabetul de tip 1. Există însă două bariere majore:

1. Imunitate - de obicei necesită imunosupresoare pe tot parcursul vieții;
2. Privarea de oxigen - capsulele care protejează sistemul imunitar izolează simultan celulele de vasele de sânge, iar celulele beta, avide de O₂, se „sufocă” rapid. Noua lucrare atinge a doua barieră: oferă capsulei propria sursă controlată de oxigen.

Cum funcționează implantul

• Două părți. Într-o carcasă de titan există un mini-generator de oxigen (iEOG), care extrage apa din lichidul interstițial și eliberează O₂ prin electroliză; lângă acesta se află o capsulă liniară subțire cu celule (asemănătoare unui „cârnat” lung), prin care trece un tub permeabil la gaze: oxigenul este absorbit uniform de-a lungul întregii capsule. Între celule și țesuturi există o membrană semipermeabilă (electrospin + alginat): glucoza și insulina trec prin ele, celulele imune nu.
• Dimensiuni: A doua versiune a iEOG are un diametru de 13 mm și o grosime de 3,1 mm, cântărind aproximativ 2 g. Atunci când este asociat cu o capsulă, un astfel de sistem poate fi introdus și scos printr-o mică incizie, ceea ce este important pentru siguranță.
• Productivitate. Generatorul produce ~1,9–2,3 cm³ O₂/h și menține debitul specificat timp de luni și chiar ani (în teste pe termen lung într-o soluție salină - până la 2,5 ani), iar după implantarea la șobolani, acest nivel a fost menținut. Un astfel de debit este calculat pentru a acoperi nevoile a sute de mii de echivalenți de insule - ordinul de mărime de care are nevoie o persoană.

Ce au arătat experimentele

• In vitro: La 1% O₂ (hipoxie severă), oxigenarea a menținut viabilitatea și secreția în agregatele INS-1 și în insulele umane ambalate într-un strat foarte dens (60.000 IEQ/mL).
• In vivo (șobolani). După implantarea subcutanată într-un model de diabet alogen, sistemul iEOG a normalizat glicemia timp de până la 3 luni fără imunosupresie; dispozitivele fără oxigen nu au avut niciun efect. Examenul histologic din jurul generatorului nu a evidențiat reacții adverse semnificative.

De ce este important acest lucru pentru clinică?

• Un pas către „dimensiuni realiste”. Pentru a oferi unui adult o doză de 300–770 mii IEQ, capsula trebuie să fie strâns ambalată – acest lucru a fost întotdeauna limitat de oxigen. Alimentarea controlată cu O₂ „îndepărtează plafonul” densității și oferă șansa de a face dispozitivul suficient de compact pentru o implantare reală.
• Plus confort. Anterior, am încercat donori chimici de oxigen (peroxizi) - aceștia nu funcționează mult timp și sunt incontrolabili, la fel ca și rezervoarele de O₂ cu „reumplere” zilnică prin piele - greoaie și incomode. Aici, oxigenul este furnizat constant și în doze măsurate, fără injecții.

Detalii tehnice care impresionează

• Sursa de apă este țesutul. iEOG absoarbe vaporii de fluid interstițial printr-o „fereastră” poroasă, iar apoi un ansamblu clasic membrană-electrod (MEA) și o tensiune de 1,4–1,8 V sunt utilizate pentru a separa apa în H₂ și O₂; gazele sunt eliminate prin diferite canale.
• Durabilitate. Trei dispozitive în soluție salină au funcționat timp de 11 luni, 2 ani și 2,5 ani în curent continuu, fără degradare cauzată de fluxul de oxigen; după implantarea la șobolani imunodeficienți și imunocompetenți, performanța s-a menținut.

Limitări și „ce urmează”?

Acest lucru este încă în stadiu preclinic: șobolani, densitate mare în capsulă, alimentare cu oxigen - totul este grozav, dar testele cheie urmează:

• scalarea la dozele și intervalele de timp utilizate de om;
• fiabilitatea și alimentarea cu energie a electrochimiștilor în corpul uman timp de ani de zile (arhitectura alimentării cu energie nu este detaliată în articol);
• reducerea la minimum a fibrozei în jurul capsulelor și stabilitatea difuziei;
• testarea pe celule stem beta și pe modele mai apropiate de om. Autorii compară în mod deschis soluția lor cu abordările anterioare și o poziționează ca o platformă pentru capsule translabile clinic.

Concluzie

Pentru ca celulele beta transplantate să trăiască și să funcționeze fără imunosupresoare, acestea trebuie să respire. Echipa Cornell și partenerii săi a demonstrat că un mini-generator de oxigen încorporat într-o capsulă liniară poate „hrăni” celulele cu O₂ suficient de mult timp și uniform pentru ca acestea să reziste la o densitate mare și să reducă zahărul chiar și într-o locație subcutanată. Clinica este încă departe de finalizare, dar logica inginerească este simplă și frumoasă - să se ofere celulelor aer acolo unde acesta lipsește.