Наука
Advertisement

Инкапсуляция клеток

Технология микрокапсуляции клеток включает в себя иммобилизацию клеток в полимерную полупроницаемую мембрану, которая позволяет двунаправленную диффузию молекул, как например поток кислорода, питательных веществ, факторов роста и др. необходимых для клеточного метаболизма и внешней диффузии продуктов жизнедеятельности и терапевтических белков. Главная цель технологии клеточной инкапсуляции — преодолеть существенную проблему отторжения трансплантата в тканевом техническом приложении, тем самым уменьшить необходимость долгосрочного использования иммунодепрессантов после трансплантации органов и контролировать побочные эффекты.

История

В 1933 году Винченцо Бишелье сделал первую попытку инкапсуляции клеток в полимерные мембраны. Он продемонстрировал, что опухолевые клетки, в полимерной структуре пересаженные в свиную брюшную полость остаются жизнеспособными в течение длительного периода без отвержения их иммунной системой. Тридцать лет спустя, в 1964 году, Томас Чанг предложил идею инкапсулировать клетки в ультратонкие мембраны микрокапсулами таким образом, чтобы обеспечить иммунологическую защиту клеток, он же ввел термин «искусственные клетки», чтобы определить понятие биоинкапсуляция. Он предположил, что эти искусственные клетки, полученные капельным методом, не только защитят скрытые клетки от инкапсулированного иммунного отклонения, но также обеспечат высокое соотношение поверхности к объему благоприятных для массовых передач кислорода и питательных веществ. Двадцатью годами позже, этот подход был успешно введен в практику в небольших моделях животных, когда были разработаны смирительные микрокапсулы ксенотрансплантаты островковых клеток из материала альгинат-полилизин-альгинат (АПА). Исследование показало, что когда эти микроинкапсулированные островки были имплантированы в диабетических крыс, клетки остались жизнеспособными и контролировали уровни глюкозы в течение нескольких недель. В 1998 года начали проводить испытания на людях, используя инкапсулированные клетки. Инкапсулированные клетки, выражающие P450 фермент цитохрома, локально активизирующие противоопухолевые пролекарства были успешно использованы в неоперабельном раке поджелудочной железы. Было продемонстрированно приблизительное удвоение жизнеобеспечивающего времени по сравнению с историческими контрольными группами. Микроинкапсулированные клетки как инструмент для тканевой инженерии и регенеративной медицины. Вопросы могут возникнуть относительно того, почему техника инкапсуляции клеток требуется, даже когда терапевтические препараты могут быть введены только на месте. Важной причиной этого является то, что инкапсулированные клетки будут служить источником устойчивого непрерывного высвобождения терапевтических препаратов при более длительном в месте имплантации. Еще одно преимущество клеток микрокапсульной технологии является то, что она позволяет загрузку нечеловеческих и генетически модифицированных клеток в полимерную матрицу, когда наличие донорских клеток ограничено. Микроинкапсуляция является ценным методом для местных, региональных и пероральной доставки терапевтических препаратов, поскольку это может быть имплантировано в многочисленные типы и органов тканей. При длительной доставке лекарств к месту лечения, имплантация этих препаратов загруженных в искусственные клетки будет более экономичной по сравнению с прямой доставкой. Кроме того, перспектива имплантации искусственных клеток с аналогичным химическим составом в нескольких пациентов, независимо от их лейкоцитарного антигена может снова разрешить снижение затрат. Основные параметры технологии микрокапсулирования клетки. Потенциал использования микрокапсулированных клеток в успешных клинических испытаниях может быть реализован, если только несколько требований, возникающие в ходе процесса разработки, такие как использование соответствующего биосовместимого полимера с образованием механически и химически стабильной полупроницаемой матрицей, производство микрокапсул одинакового размера, использование соответствующих иммунносовместимых поликатионов, сшитых для инкапсуляции полимера, чтобы стабилизировать капсулы, выбор подходящего типа клеток в зависимости от ситуации будут оптимизированы.

Биоматериалы

Использование лучшего биоматериала в зависимости от применения имеет решающее значение в развитии систем доставки лекарств и тканевой инженерии. Полимер альгинат очень широко используется в связи с его ранним обнаружением, доступностью и низкой стоимостью, но были также использованы и другие материалы, такие как целлюлоза, сульфат коллагена, хитозана, желатина и агарозы. Альгинат Несколько групп подробно изучили несколько устественных и синтетических полимеров с целью развития самого подходящего биоматериала для клеток микрокапсулирования. Была проделана обширная работа с помощью альгинатов, которые считаются наиболее подходящими для биоматериалов клетки микрокапсулирования из-за их обилия, отличной биосовместимости и способности к легкому биоразложению свойств. Альгинат является природным полимером, который может быть извлечен из морских водорослей и бактерий со многими композициями на основе источника изоляции. Альгинат не лишен всякой критики. Некоторые исследователи полагают, что альгинаты с высоким содержанием маннуроновой кислоты может вызвать воспалительную реакцию и аномальный рост клеток, а некоторые показали, что альгинат с высоким содержанием глюкуроновой кислоты приводит к еще более высокому зарастанию клеток и воспалительной реакции в естественных условиях по сравнению с содержанием промежуточного звена глюкуроновой кислоты альгината . Даже сверхчистые альгинаты могут содержать эндотоксины и полифенолы, которые могут поставить под угрозу биосовместимость полученных микрокапсул клеток. Было показано, что даже если процессы очистки успешно понизили содержание эндотоксина и полифенолов в обработанном альгинате, но трудно снизить содержание белка и процессы очистки, в свою очередь изменяют свойства биоматериала. Таким образом, важно, чтобы эффективный способ очистки был сконструирован таким образом, чтобы удалить все загрязнения из альгината, прежде чем он может быть с успехом использован в клинической практике.

Модификация и функционализация альгината

Исследователи также смогли разработать микрокапсулы альгината с измененной формой альгината с повышенной биосовместимостью и высокой устойчивостью к осмотическому набуханию. Другой подход к увеличению биологической совместимости мембраны биоматериала через модификации поверхности капсулы, используя молекулы пептидов и белков, которые, в свою очередь контролируют пролиферацию и скорость дифференциации инкапсулированных клеток. Одна группа, которая активно работает над сцеплением аминокислотной последовательности Arg-Gly-Asp (RGD) к альгинатным гидрогелям показала, что поведение клеток можно контролировать с помощью RGD плотности в сочетании с альгинатным гелем. Альгинатные микрочастицы нагруженные миобластами клетки и функционализированные RGD позволили контролировать рост и дифференциацию загруженных клеток. Другим важным фактором, который контролирует использование клеточных микрокапсул в клинической практике является разработка подходящего иммунносовместимого поликатиона, чтобы покрыть, противном случае, высоко пористые гранулы альгината и, следовательно, придать устойчивость и иммунную защиту системе. Поли-L-лизин является наиболее широко используемым поликатионом, но его низкая биосовместимость ограничивает успешное клиническое использование этих поли-L-лизин сформулированных микрокапсул, которые привлекают воспалительные клетки, тем самым вызывая некроз загруженных клеток. Исследования также показали, что микрокапсулы альгинат-П-L-Л-альгинат (AПA)показали низкую механическую стабильность и короткий срок службы. Таким образом, несколько исследовательских групп искал альтернативы П-L-Л и продемонстрировали многообещающие результаты с поли-L-орнитином и поли (метилен гидрохлорида-со-гуанидином) по изготовлению прочных микрокапсул с высокой и контролируемой механической прочностью для инкапсуляции клеток. Несколько групп исследовали также использование хитозана, который является природным происхождением поликатиона, в качестве потенциальной замены для П-L-Л в изготовлении альгинатных-хитозан (A Х) микрокапсулы для программ доставки клеток. Тем не менее, исследования также показали, что стабильность альгината-хитозан мембраны снова ограничена и одна группа показали, что модификация микрокапсул альгинатных-хитозан с генипином, в природеэто иридоидный гликозид из гардении фруктов, сформировав генипин поперечно сшив микрокапсулы альгината — хитозан (ГАХ) можно было бы повысить стабильность клеточных загруженных микрокапсул.

Желатин

Желатин получают из денатурации коллагена и многих требуемых свойств, таких как способность, к биоразложению, биосовместимости, не-иммуногенности в физиологических средах, и легкой обрабатываемостью, этот полимер является хорошим выбором для тканевой инженерии. Он используется в инженерных тканей для кожи, костей и хрящей и используется в коммерческих целях для замены кожи.

Хитозан

Хитозан представляет собой полисахарид, состоящий из случайно распределенных β- (1-4) -связанный D-глюкозамином (деацетилированныая единица) и N-ацетил-D-глюкозамина (ацетилированная единица). Он получен из N-деацетилирования хитина и был использован в нескольких программах, таких как доставка лекарств, заполнение пространства имплантатов и в перевязочных. Однако недостатком этого полимера является его слабые механические свойства и, таким образом, часто в сочетании с другими полимерами, такой коллаген с образованием полимера имеет сильные механические свойства для программ инкапсуляции клеток.

Агароза

Агароза представляет собой полисахарид, полученный из морских водорослей, используемых для наноинкапсуляции клеток и клеток агарозной суспензии, которые могут быть изменены, чтобы сформировать микрогранулы путем снижения температуры во время приготовления. Тем не менее, одним из недостатков микрогранул, полученных таким образом, является возможность клеточного выступа через полимерную матричную стенку после формирования капсул.

Сульфат целлюлозы

Сульфат целлюлозы получен из хлопка и, после обработки должным образом, может быть использован в качестве биосовместимой базы, в которой происходит задержка клеток. Когда раствор сульфат целлюлозы поли-анионнов погружают во второй, поли-катионный раствор (например, pDADMAC), в результате гелеобразования между двумя поли-ионами вокруг взвешенных клеток формируется полупроницаемая мембрана. Обе линии млекопитающих клеток и бактериальных клеток остаются жизнеспособными и продолжают репликации внутри капсулы мембраны, чтобы заполнить выход капсулу. Таким образом, в отличие от некоторых других материалов инкапсуляции, капсулы могут быть использованы для роста клеток и действуют в качестве, таких как мини-биореактор. Биосовместимый характер материала был продемонстрирован в ходе наблюдений исследований с использованием клеточных заполненных капсул для имплантации, а также капсулы изолированного материала. Капсулы из сульфата целлюлозы были успешно использованы, показывая эффективность и безопасность в клинических и доклинических испытаний, как у людей, так и у животных, в первую очередь, как противоопухолевое лечение, но также изучают возможности применения для генной терапии или терапии антител. Использование сульфата целлюлозы стало возможностью для изготовления инкапсулированных клеток в качестве фармацевтического продукта в больших масштабах и выполнено по стандартам Good Manufacturing Process. Это было достигнуто за счет компании Austrianova в 2007 году.

Биологическая совместимость

Использование идеального высококачественного биоматериала с присущими свойствами биосовместимости является наиболее важным фактором, который определяет долгосрочную эффективность этой технологии. Идеальный биоматериал для инкапсуляции клеток должен быть тот, который полностью биосовместим и не вызывает иммунную реакцию у хозяина, и не мешает клеточному гомеостазу, такой чтобы обеспечить высокую жизнеспособность клеток. Тем не менее, одним из основных ограничений была неспособность воспроизводить различные биоматериалы и требования для получения лучшего понимания химии и биофункциональности биоматериалов и системы микрокапсул. Несколько исследований показали, что модификация поверхности этих клеток, содержащих микрочастицы, позволяет контролировать рост и клеточную дифференцировку инкапсулированных клеток.

Одно исследование предложило использовать дзета-потенциал, который измеряет электрический заряд микрокапсулы в качестве средства для прогнозирования межфазного взаимодействия между микрокапсулой и окружающей тканью и, в свою очередь биосовместимость системы доставки.

Advertisement