對(duì)于全球超過(guò)700億的1型糖尿病患者來(lái)說(shuō)，讓宿主免疫系統(tǒng)耐受植入的胰島素分泌細(xì)胞的存在可能會(huì)改變生活。

萊斯大學(xué)的生物工程師Omid Veiseh和合作者確定了新的生物材料配方，可以幫助翻開(kāi)1型糖尿病治療的一頁(yè)，為一種更可持續(xù)，長(zhǎng)期，自我調(diào)節(jié)的方式來(lái)處理這種疾病打開(kāi)大門(mén)。

為此，他們開(kāi)發(fā)了一種新的篩選技術(shù)，該技術(shù)涉及在將每種生物材料配方植入活體受試者之前，用獨(dú)特的“條形碼”標(biāo)記數(shù)百個(gè)生物材料配方。

根據(jù)《自然生物醫(yī)學(xué)工程》的研究，使用其中一種藻酸鹽制劑包封人胰島素分泌胰島細(xì)胞可長(zhǎng)期控制糖尿病小鼠的血糖水平。涂有另外兩種高性能材料的導(dǎo)管不會(huì)堵塞。

“這項(xiàng)工作的動(dòng)機(jī)是未滿足的主要需求，”德克薩斯州生物工程和癌癥預(yù)防和研究所的萊斯助理教授Veiseh說(shuō)。“在1型糖尿病患者中，身體的免疫系統(tǒng)攻擊胰腺的胰島素產(chǎn)生細(xì)胞。當(dāng)這些細(xì)胞被殺死時(shí)，患者失去了調(diào)節(jié)血糖的能力。

幾十年來(lái)，科學(xué)家們一直在努力實(shí)現(xiàn)Veiseh所謂的“圣杯”目標(biāo)，即將胰島細(xì)胞安置在由保護(hù)材料制成的多孔基質(zhì)中，該基質(zhì)使細(xì)胞能夠獲得氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而不會(huì)受到宿主免疫系統(tǒng)的破壞。

然而，由于篩選限制，具有最佳生物相容性的材料很難找到。一方面，免疫系統(tǒng)對(duì)給定植入生物材料的反應(yīng)只能在活宿主中評(píng)估。

“問(wèn)題是免疫反應(yīng)需要在這些糖尿病小鼠體內(nèi)進(jìn)行研究，而不是在試管中，”Veiseh實(shí)驗(yàn)室的研究生，該研究的共同主要作者Boram Kim說(shuō)。“這意味著，如果你想篩選這數(shù)百種藻酸鹽分子，那么你需要有數(shù)百名動(dòng)物試驗(yàn)對(duì)象。我們的想法是在同一測(cè)試對(duì)象中同時(shí)篩選數(shù)百種生物材料。

另一方面，不同的生物材料配方看起來(lái)相同，因此在沒(méi)有一些明顯特征的情況下，不可能識(shí)別高性能的配方。這使得每個(gè)宿主測(cè)試一種以上的生物材料變得不可行。

“它們是不同的材料，但它們看起來(lái)是一樣的，”Veiseh說(shuō)。“一旦它們被植入測(cè)試對(duì)象的體內(nèi)，然后再次取出，我們就無(wú)法區(qū)分材料，也無(wú)法確定哪種材料配方效果最好。

為了克服這些限制，Veiseh和合作者想出了一種方法，用獨(dú)特的“條形碼”標(biāo)記每個(gè)藻酸鹽配方，使他們能夠識(shí)別出表現(xiàn)最好的藻酸鹽配方。

“我們將每種修飾的生物材料與來(lái)自不同供體的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(HUVEC)配對(duì)，”Kim說(shuō)。

“HUVEC細(xì)胞，因?yàn)樗鼈儊?lái)自獨(dú)特的供體，作為一個(gè)條形碼，使我們能夠知道最初使用了什么材料，”Veiseh補(bǔ)充道。“贏家是那些有活細(xì)胞的人。一旦我們找到它們，我們就對(duì)這些細(xì)胞的基因組進(jìn)行了測(cè)序，并找出與它配對(duì)的材料。這就是我們發(fā)現(xiàn)最熱門(mén)歌曲的方式。

干細(xì)胞來(lái)源的胰島細(xì)胞在糖尿病患者中的使用試驗(yàn)正在進(jìn)行中。然而，目前的胰島治療需要免疫抑制，使其成為治療1型糖尿病的一種繁重的方法。

“目前，為了在糖尿病患者中使用植入的胰島細(xì)胞，你必須抑制整個(gè)免疫系統(tǒng)，就像你試圖進(jìn)行器官移植一樣，”Veiseh說(shuō)。“這給患者帶來(lái)了很多并發(fā)癥。

“他們可能會(huì)患上癌癥，他們無(wú)法抵抗感染，所以，對(duì)于絕大多數(shù)患者來(lái)說(shuō)，最好在他們自己注射的地方進(jìn)行胰島素治療。使用這種生物材料封裝策略，不需要免疫抑制。

將實(shí)際的HUVEC細(xì)胞放置在生物材料膠囊內(nèi)增加了宿主免疫系統(tǒng)檢測(cè)到外來(lái)存在的可能性。這使得實(shí)驗(yàn)比簡(jiǎn)單地測(cè)試對(duì)生物材料的免疫反應(yīng)更可靠。

“我們想測(cè)試這些材料的庫(kù)，在珠子內(nèi)有細(xì)胞的選擇壓力下，使材料更難不被免疫系統(tǒng)注意到，”Veiseh說(shuō)。“所有胰島細(xì)胞制造商都對(duì)能夠擺脫免疫抑制感興趣，而是使用這些藻酸鹽水凝膠基質(zhì)來(lái)保護(hù)植入的細(xì)胞。

新的高通量“條形碼”方法可以部署，以使用更少的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)象篩選其他醫(yī)療應(yīng)用。

“這實(shí)際上為我實(shí)驗(yàn)室的許多其他項(xiàng)目提供了信息，我們正在從其他疾病適應(yīng)癥的細(xì)胞中進(jìn)行生物生產(chǎn)，”Veiseh說(shuō)。“同樣的修改可以應(yīng)用于進(jìn)入人體的所有類型的材料。這不僅限于細(xì)胞移植。我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)可以與許多不同的設(shè)備概念配對(duì)。

“例如，一些糖尿病患者使用自動(dòng)泵系統(tǒng)自行管理胰島素。這些泵系統(tǒng)上的導(dǎo)管必須每隔幾天更換一次，因?yàn)樗鼈儠?huì)堵塞。我們能夠證明，用這些新材料涂覆導(dǎo)管可以防止堵塞。

“有了這種新的基于細(xì)胞的條形碼技術(shù)，生物材料研究得到了前所未有的推動(dòng)，這將加速向臨床適用產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，并使其更實(shí)惠，”弗吉尼亞大學(xué)移植外科醫(yī)生和生物工程師José Oberholzer博士說(shuō)。

“這是一個(gè)真正的范式轉(zhuǎn)變。通過(guò)這種方法，我們現(xiàn)在可以一次篩選數(shù)百種生物材料，并選擇人體不排斥的生物材料。我們可以保護(hù)細(xì)胞移植物免受免疫系統(tǒng)的攻擊，而無(wú)需免疫抑制藥物，“Oberholzer補(bǔ)充道。

前萊斯大學(xué)生物工程教授、現(xiàn)任NuProbe美國(guó)首席執(zhí)行官David Zhang指出，“高通量DNA測(cè)序已經(jīng)徹底改變了許多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

“我很高興與Omid合作，利用我的團(tuán)隊(duì)在DNA測(cè)序方面的專業(yè)知識(shí)開(kāi)發(fā)改進(jìn)的生物材料，”張補(bǔ)充說(shuō)，他是該基金的共同研究員。“這些改進(jìn)的生物材料可以使持久的植入細(xì)胞療法發(fā)揮活體藥物工廠的作用，并且可以對(duì)患有各種慢性疾病的患者產(chǎn)生積極的破壞性影響。