The Unmet Need for Functional Pancreatic Tissue

סוכרת מייצגת משבר בריאותי עמוק וצומח, המשפיע על יותר מ-537 מיליון מבוגרים ברחבי העולם על פי הפדרציה הבינלאומית לסוכרת. בעוד שטכנולוגיות ניטור אינסולין אקסוגניות מרחיבות את תוחלת החיים ושיפור איכות החיים עבור מיליונים, גישות אלה מייצגות ניהול מחלות ולא תרופה.הסיבוכים ארוכי הטווח של סוכרת, כולל חנקנות, נוירופתיה, מחלות לב וכלי דם, נובעות מחוסר יכולת של טיפולים גלוקוזמיים מושלמים.

עבור חולים עם סוכרת מסוג 1 (T1D), ההרס אוטואימוני של תאי בטא המייצר אינסולין מחייב תלות לאורך זמן אינסולין אקסוגנית. A תת-קבוצה של חולים עם סוכרת מסוג 2 (T2D) בסופו של דבר התקדמות למצב עצמאי אינסולין כמו הפונקציה בטא תפקוד תא ירידה.התקדים ההיסטורי שנקבע על ידי פרוטוקול אדנטון הראה כי כלוגנית היא השתלת יכול לשחזר עירוי אינסולין ולהשיג את הגישה הכרונית של אינסולין, עם זאת, עם ירידה חמורה של אינסולין, עם זאת, היא מוגבלת.

תרופות רגנרטיביות מציעות אלטרנטיבה טרנספורמטיביות: היכולת לייצר תאים פונקציונליים, גלוקוז-responsive Beta תאים ממקורות תאים מתחדשים.המטרה היא ליצור אספקה בלתי מוגבלת של רקמת ייצור אינסולין שניתן להשתל לחולים ללא צורך ב immunosuppression מערכתית לכל החיים במרכז להצלחה של מאמץ זה הוא נשלט, קנה מידה, והפקה מחדש של פאן-קורטיקה הוא אסטרטגיות מתקדמות.

Bioreactors as Foundational Technology

Defining the In Vivo Environment

ביולוגיים הם מערכות מונדסיות המספקות סביבה מבוקרת הדוקה לצמיחה, הבחנה, והתבגרות של תאים לרקמות פונקציונליות.בניגוד ל flasks תרבות סטטית, bioreactors מאפשרות רגולציה דינמית של פרמטרים פיזיוכימיים קריטיים כולל מתח חמצן, pH, משלוח תזונתי, הסרת מטבוליט, גירוי מכני.מערכות אלה נועדו לבודד את המיקרובינציה המורכבת כי בתוך תאי הלבבתים, שבו הם נמצאים תאי הלבבות עשירות של הלבבות, 000.

פרמטרים קריטיים בעיצוב ביולוגי עבור Pancreatic Tissue

העיצוב של ביולוגיים עבור הנדסת רקמות הלבלב דורש שליטה מדויקת על מספר משתנים מרכזיים המשפיעים ישירות על התשואות, הכדאיות והתפקוד של תאי בטא תאי גזע (תאים של SC-beta).

  • <חזק> Oxygen Tension: תאי Beta פעילים מבחינה מטבולית ורגישים מאוד לחמצן.הטבע הלבלב הילידים חווה מתח חמצן החל מ 5-10%.בביולוגיים, שמירה על רמות חמצן פיזיולוגיות הוא קריטי עבור הזדווגות תא בטא ופרשת אינסולין. Hypoxia (<1%) גורם necrosis ו deiation, בעוד היפר-דלקתיים יכול בדיוק לגרום לדלקתיים).
  • (FLT:0) Shear Stress:FLT:1 פלויד זרימה מייצרת כוחות Shear שיכולים להשפיע על שונה תאי גזע וארגון רקמות. עבור מטבוליזם הלבלב, מתח בינוני Shear (FLT:2FLT:2FLT 3) יכול לשפר את המחויבות האנדוקרינית, בעוד שהיא מוגזמת עלולה להוביל נזק תא ו apoptosis.
  • (FLT:0) ההגבלות הננוטריות והמטבוליט Gradients:FLT (FLT):1 ככל שהתאים מצטברים, מגבלות דיפוזיה יוצרות ⁇ של חומרים מזינים (למשל, חומצות אמינו) ומוצרים פסולת (לאורט, אמוניה) מטפלות בביולוגיקה זו באמצעות שילוב אחיד ומיזוג, הבטחת גישה אחידה לחומרים מזינים ויעילים של חומרים רעילים של מטבוליטים (Cortate) הוא בעיקר עבור תרכובת ליבה של גזע סטטי (Nexttic) (I) (IQ) (IQ) (IQ) ערפילית) , במיוחד עבור תרכובת (כלומר, IOcrotic) ערפילית) ערפילית (כלומר, כלומר, IOcrotic) ערפילית) ערפילית (כלומר, IOcrotic) ערפילית) , IOcrotic) .
  • (FLT:0Growth Factor Delivery:FLT:1 The differentiation of pluripotent תאי גזע לתוך תאים אנדוקריניים הלבלביים עוקב אחר רצף כוריאוגרפיה של שלבים התפתחותיים, כל אחד דורש שילובים ספציפיים של גורמי צמיחה ומולקולות קטנות.ביולוגיים מאפשרים התחדשות, לוחות זמנים של האכלה אוטומטיים המספקים את הגורמים הללו באופן אחיד על פני נפח התרבות.

סוגים של ביולוגיים המשמשים במחקר Pancreatic

המונחים: bioreactors

ביולוגי פרווזיה הם הפלטפורמה המאומצת ביותר עבור הנדסת רקמות הלבלבית. במערכות אלה, מדיום תרבות הוא מופצה ללא הרף דרך מיטה של תאים או הפיגמומים רקמות, המספקת זרימה מתמדת של חומרים מזינים וחמצן.היכולת לשלוט באופן עצמאי בקצב זרימה, לחץ חלקי חמצן, והרכב בינוני הופך את ה-Greactors אידיאלי עבור פרוטוקולים מורכבים, שונים במה, הדרושים כדי ליצור תאים SCbe-מוחשיניים כמו תאים סגורים.

מיקרו-השפעה על מחסנית-על-a-Chip Systems

ביולוגי מיקרו-השפעה מייצגים גישה מינית שהצטיין בשליטה גבוהה ובדיקה גבוהה של ציוד-תועלת.המכשירים האלה מכילים מיקרו-ערוצים המחקה את המיקרו-שקע של הלבלב, המאפשרים לחוקרים ללמוד לפעול תחת תנאי זרימה פיזיולוגיים רלוונטיים.org-on-a-chip לאפשר ניטור בזמן אמת של גלוקוז-timd אינסולין רב-תסמינים (GS), במיוחד מבדיקות חמצן קטנות, הן לבדיקות גורמות לדלקתיות, במיוחד לדלקתיות.

המונחים: bioreactors

סיבי הולו ביולוגיים מורכבים מחבילה של capillaries למחצה שניתן לדחוס בתוך מחסנית צילינדררית.תאים נטועים לתוך שטח עודף-capillary, בעוד מדיום תרבות זורם דרך lumen של הסיבים.השרים חלולים ונוראין פועל כמו מיטת קפיליה מלאכותית, המספקת מסה יעילה תוך הגנה על תאים ממתח ישיר שהיא מחקה את התאים הסמיקים (Beta) של תאים חמים של תאים כמו תאים חמים.

רוטט וול וסל ביופרקטורס

במקור פותח על ידי נאס"א, רוטטת כלי שיט לקיר (RWV) bioreactors ליצור סביבה מיקרוגרפית סימולציה על ידי רוטטת כלי התרבות סביב ציר אופקי.תצורה זו מקדמת היווצרות של מצטבר תאים תלת-ממדיים עם גודל אחיד וכדאיות משופרת. עבור יישומים pancreatic, RWVreactors הוכח כדי לשפר את אשכול של תאים SC-beta לתוך פסים חזקים יותר מאשר תאים סטטיים.

אסטרטגיות מבוססות Scaffold לאדריכלות

הלבלב הילידים מספק ממטריקס סלולרי מורכב (ECM) התומך בדבקות תאים, הגירה, הבחנה ותפקוד.כדי לשכפל את הסביבה הזאת, החוקרים מעסיקים גישות מבוססות פיגומים בתוך ביולוגיים כדי להנחות את הארגון של תאי אנדוקריניים של תאי גזע לתוך הוא ללא קשר מבנים כמו אדריכלות מרחבית מתאימה.

הידרוגל טבעי

הידרוג'ים שמקורם ברכיבי ECM טבעיים כולל הקולגן I, laminin, fibronectin, וחומצה היאלורונית משמשים נרחב עבור הנדסת רקמות הלבלביות.חומרים אלה מספקים אותות ביוכימיים פנימיים פנימיים הרחם אשר מקדם הישרדות תא בטא ותפקוד. Alginate, נגזר מ- acee חום, הוא אטרקטיבי במיוחד עבור acapsulation בשל יכולת הביו-קופטית שלה והיכולת שלה לצורות נמוכות יותר של נוגדנים (מתאים) בתנאי הישרדות לטווח קצר תחת תנאי חומצה חיסונית (Dolestraable) ב-Dolestraable-Dginate.

סינתטי ו- Hybrid Scaffolds

פולימרים סינתטיים כגון חומצה פולית-co-glycolic חומצה (PLGA) ופולי (אתילן גליקול) (PEG) מציעים תכונות מכניות ושיעורי השפלה.חומרים אלה יכולים להיות פונקציונלי עם peptides דבק (רצף RGD) וגורמי צמיחה כדי לכוון התנהגות תא.

Decellized Pancreatic Matrices

דהלגן שלם כולל הסרת תוכן סלולרי מן pancreas התורם תוך שמירה על הארכיטקטורה ECM הילידים, כולל רשת vascular ו microenvironments.החומרה התאית וכתוצאה מכך שומרת על התכונות מכניות טבעיות ואת ההרכב הביוכימי של הלבלבנדרים. כאשר מושרש עם תאי פנקוקריטציה תאי גזע בפריפריה ביולוגית, תמיכה נושבת זהה של היווצרות הדם תפקודיתקבתים.

3D Bioprinting of Pancreatic Builds

טכנולוגיות ייצור אדקטיות מאפשרות את הפירוק המדויק של תאים ו- biomaterials לבנות רקמת pancreatic vascularized עם גיאומטריה מבוקרת. Bioprinting מאפשר הדפסה מדויקת של תאים עם סוגים תומכים תאים כגון תאים נוסטלליים ותאים mesenchymal סטרומליים כדי לשפר את הvascularization ו immunomodulation.

המונחים: Stem Cells in Bioreactors

טביעת אצבע התפתחותית

ההשוואה של תאי גזע בעלי ערך אנושי (hPSCs) לתוך תאי בטא פונקציונליים מחדש שלבים מרכזיים של התפתחות עוברית הלבלבית.פרוטוקולים ציוני הדרך שנקבעו על ידי מעבדת מלטון באוניברסיטת הרווארד ומעבדת קיפר באוניברסיטת קולומביה הבריטית הגדירו תהליך רב-שלבי שלוקח בערך 30-45 ימים.

  1. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  2. (ב) ,0) ,התגבש של תנועת "Golementive Gut Tube": ⁇ F1: המשך Activin A איתות בתוספת KGF או FGF7.
  3. (FLT:0)Fsterior Foregut Specification:03:1) שימוש בחומצה רגינוטית Sonic Sonic Sonic Sonic ו-Hedgehog Path מעכבים.
  4. (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  5. (ב) ,0) ,אנדוקרין פריימנט דור: FLT:1 Neurogenin-3 (NGN3) upregulation.
  6. (ב) ,0) ,ב"התא: הפחתה של 1:1 (ה) של אספקת אינסולין מחוסנת.

אופטימיזציה ביולוגית לייצור Scalable

התרגום של פרוטוקולים שונים סטטיים, דו-ממדיים אלה לייצור מדרגי, קליני-דרגתי דורש הסתגלות זהירה להשעיית ביולוגיים. תאי גזע הם תרבותיים כמוצריפים בביוקטורים בעלי עור או אנכי, שבו הסגידה שומרת על גודל אחיד ומונעת משקעים.

אופטימיזציה מרכזיים של שונות מבוססת bioreactor כוללים:

  • (FLT:0) Aggregate Size Control:FLT:1 צפיפות אינפוזיה ומהירות הסגידה מכוונים לשמירה על קוטרים מצטברים מתחת ל 200 & מיקרו;m כדי להבטיח דיפוזיה חמצן נאותה.
  • (FLT:0) משטרי האכלה אלגוריתמיים: ההרחבה 1 (FLT:1) היתוך מתמשך מאפשר להסרת הדרגתית של מוצרי פסולת וחידוש של חומרים מזינים, הימנעות ריכוזי שיא רעילים הקשורים להאכלת בולוס.
  • (FLT:0Microenvironment Conditioning:IRFLT:1) ייצור ECM אנדוגנית על ידי תאים שונים יוצר פיגומים תאיים התומכים במחויבות האנדוקרינית. Bioreactors לספק את אחידות המרחבית הנדרשת עבור CM עקבית על פני כרכים גדולים.

הנדסה גנטית לתפקוד משופר

CRISPR-Cas9 עריכת גנים שימשה למהנדס קווי תאים תאי גזע המייצרים תאים hypoחיסוניםogenic SC-beta.שיבוש ממוקד של הגן beta-2 microglobulin (B2M) מבטלים ביטוי פני תאים של מתחם הגמישות העיקרי I (MHC-I), המונע הכרה על ידי תאי CD8+ cytotoxic T.

תגובה על Immune

סליחות באמצעות תבוסה

גם עם תאים אוטולוגיים או hypoחיסוניםogenic, הסביבה אוטואימונית של מטופל עם T1D יכול להרוס תאים בטא מושתלים. אסטרטגיות של דלקת חיסונית בנפרד פיזית תאים ממערכת החיסון המארחת באמצעות קרום למחצה שניתן מעבר של חמצן, גלוקוז, אינסולין, תוך חסימת תאים חיסוניים נוגדנים.

מיקרו-capsulation

מיקרונופטרולציה כוללת enclosing טיפות אישיות או אשכולות תאים קטנים בתוך ביו-תואמים hydrogel beads, בדרך כלל alginate. אלה beads מיוצרים באמצעות גנרטורים טיפות ולאחר מכן תרבות ב bioreactors כדי להבטיח את הכדאיות לפני השתלת.יחס גבוה של microcapsules מקל חומרים מזינים יעילים והחלפת חמצן.

Macroencapsulation מכשירים

מכשירים מקרונצ'ופוטנציה כגון מערכת אנמפטרה (לשעבר מ- ViaCyte) והמכשיר TheraCyte מכיל מספר גדול של תאים בתוך שטוח, מוקרן עם membrane למחצה בעל יכולת למחצה.המכשירים האלה מושרשים עם מברקי תאים SC-beta ובוגר בביולוגיים לפני השתלת תת-עור.

אתגרים בדרך לתרגום קליני

ואספקת חמצן וחמצן

האתגר הביולוגי המשמעותי ביותר העומד בפני השדה הוא להבטיח אספקת חמצן נאותה לאתות מושתלות.הטבע הילידים הוא רב-מעורפל, עם כל תא בטא בתוך 1-2 רוחב תאים של תא endotal. Implanted מכשירים מסתמכים על דיפוזיה פסיבית של חמצן מרקמות הסובבות, אשר מגביל את עובי ההנדסה ל- 200 & מיקרוסקופ; אסטרטגיות מסוימות מופנות לכתובת זה, כולל מגבלות דם, בתוך תאים מיקרו-חומריים של צינורות מיקרו-חומריים, באמצעות צינורות מיקרו-חומריים של מינרלים-חומריים של רשתות מיקרו-חומריים.

סקלאלה וייצור קונסיסטנסיות

המעבר מביולוגי מעבדה בקנה מידה (100 מ"ל עד 5 L) לייצור קליני דורש תהליכים חזקים המספקים באופן עקבי תשואה גבוהה של תאים SC-beta פונקציונלי. לוט-to-lot פנויות בגורמים צמיחה, חלבונים ECM, ו reagents אחרים נשאר מקור משמעותי של תהליך inconsistency. אימוץ של חומרים כימיים מוגדרים, retrabinantagentas ו in realytics, כמו ניטור חומרים מתמטיים עבור ניתוח חומרים מתמטיים הוא גורם קריטי עבור חומרים מתמטיים.

יציבות ארוכת טווח

תאי SC-beta המיוצרים ביולוגיים לעתים קרובות להציג פונקציונליות לא בוגרת בהשוואה לאליטות אנושיות ראשוניות, עם חיפוי אינסולין ראשון ושחרור אינסולין גבוה.פוסט-שינוי ב vivo נצפו בניסויים קליניים, אבל הגורמים המניעים את ההבשלה הזו נשארים מובן לחלוטין.

כיוונים עתידיים ופרספקטיבה קלינית

ייצור אוטומטי סגור-Loop

העתיד של הנדסת רקמות הלבלב נמצא במערכות ביולוגיות אוטומטיות לחלוטין, סגורות-פרלופ המשלבות חיישנים בזמן אמת עבור גלוקוז, חמצן, לקטטה, ו- pH עם אלגוריתמי למידת מכונה כדי לייעל את תנאי התרבות.ביולוגיים חכמים אלה יתאים את שערי זרימתם, לוחות הזמנים של האכלה וחמצן באופן דינמי, למקסם את התא ואת התפוקה תוך צמצום התערבות מפעיל וסיכון זיהום.

מערכות היברידיות

מכשירים מותאמים הדור הבא מתוכננים כמו ביולוגיים היברידיים שימשיכו לתמוך בתפקוד התא לאחר השתלת.מערכת ה- Cell Pouch של Sernova היא מכשיר מאקרו-capsulation מושתל באופן תת-עורי וניתן לvascularize לפני שהוא טעון עם islets.הסביבה prevasated יוצרת ביולוגיה מבטיח התומך לטווח ארוך הוא הישרדות ותפקוד קליני של תאים הוכח עם אינסולין מבטיח.

סיקור ונוף מסחרי

התחום נכנס לשלב מרגש עם חברות מרובות לקידום מועמדים בניסויים קליניים. Vertex תרופות רכשה ViaCyte והוא מפתח VX-880 (תאים SC-beta כלוגניים עם immunosuppression) ו- VX-264 (תאים של SC-beta encapsulated בתקן מאקרו-capsulation ביולוגיה הוא פיתוח VCTX210, גן-חיסון מייצג את האפשרות של תאים ביולוגיים-גנטיים של תאים אלה.

מסקנה

אסטרטגיות מבוססות bioreactor הפכו את הנוף של הנדסת רקמות הלבלב על ידי מתן סביבות מבוקרות, מדרגיות הדרושות כדי לייצר רקמת ייצור אינסולין פונקציונלי ממקורות תאים מתחדשים.שילוב של עיצוב ביולוגי מתקדם עם ביולוגיה התפתחותית, הנדסה גנטית, וביוטכנולוגיה מדע biomaterials הוא בהתמדה על האתגרים הטכניים שיש להם באופן היסטורי מוגבל השדה.

הפניות חיצוניות לקריאה נוספת כוללות את נתוני הניסוי הקליני עבור VX-880 ב ClinicalTrials.gov, פרוטוקול ההשוואה הבסיסית שפורסם ב- Cell (Pagliuca et al., 2014), ואת המחקר אימונוי של אלטג'ין ממעבדות אנדרסון ולאנג ב-MIT.