Проектирование иммунно-привилегированных органов для успешной трансплантации

Экс-виво перфузия органов и кондиционирование

Перед трансплантацией донорские органы могут быть помещены на системы перфузии ex vivo, которые позволяют доставлять гены, клеточное посевное и фармакологическое лечение в контролируемой среде.

• Вирусная векторная доставка: Аденовирусные, лентивирусные или аденоассоциированные вирусные векторы могут перфузироваться через орган для доставки генов, кодирующих иммуносупрессивные молекулы, достигая трансдукции всего органа.
• Норматермическая перфузия с иммуномодулирующими факторами: Перфузия при физиологической температуре со средой, содержащей цитокины, факторы роста и регуляторные клетки, позволяет органу восстанавливаться после ишемической травмы при приобретении новых иммунологических свойств.
• Деоксигенация и гипотермическое кондиционирование: Предварительное кондиционирование органа для сопротивления ишемической реперфузии уменьшает воспалительные сигналы, которые вызывают отторжение.

Последние прорывы и ключевые исследования

В последние годы в этой области наблюдается значительный прогресс, и несколько исследований демонстрируют возможность разработки органов с иммунитетом на крупных животных моделях и ранних клинических переводах.

Ксенотрансплантация: граница свиньи-примата

Наиболее впечатляющие достижения были достигнуты в ксенотрансплантации, где генетически модифицированные органы свиней были пересажены нечеловеческим приматам и, в знаковом случае, в реципиента человека. Исследователи из Медицинской школы Университета Мэриленда в сотрудничестве с United Therapeutics и Revivicor, сконструировали свиней с 10 генетическими модификациями, включая нокаут альфа-галогенного эпитопа (основной мишенью антител против свиней человека), экспрессию регуляторных белков комплемента человека и экспрессию регуляторных белков коагуляции человека. В январе 2022 года первое генетически модифицированное сердце свиньи было пересажено 57-летнему мужчине, который выжил в течение двух месяцев, прежде чем поддаться комбинации факторов, включая реактивацию цитомегаловируса свиньи. Этот случай продемонстрировал, что стратегия нокаута нескольких генов может предотвратить гиперострый отторжение и поддержку функции трансплантата, хотя проблемы остаются.

Биоинженерные человеческие органы

Работа исследователей Массачусетской больницы общего профиля и Гарвардской медицинской школы была сосредоточена на децеллюляризации органов умерших доноров и их перезапуске с клетками, специфичными для пациента. В 2022 году человеческая почка, биоинженерная из децеллюляризованного каркаса и засеянная эндотелиальными клетками пациента и эпителиальными клетками почек, была пересажена человеку-реципиенту с ранними признаками функции. Исследователи включили генетические модификации засеянных клеток для экспрессии PD-L1 и CTLA-4-Ig, создав трансплантат с внутренней иммунной привилегией. Пациент поддерживался на сниженной иммуносупрессии и не проявлял отторжения на 6-месячной отметке.

Достижения в инкапсуляции островков

Для диабета 1 типа несколько компаний, в том числе ViaCyte (ныне Vertex) и Beta-O2 Technologies, разработали инкапсулированные островковые устройства. В недавней итерации используется полупроницаемая мембрана, покрытая цвиттерионным полимером, который противостоит фиброзу и прикреплению иммунных клеток. В фазе 1/2 клинического испытания реципиенты этих устройств продемонстрировали обнаруживаемые уровни С-пептида и улучшенный контроль глюкозы без системной иммуносупрессии. Это представляет собой одну из самых передовых демонстраций иммунопривилегированной тканевой инженерии у людей.

Роль микросреды

Исследования группы Такаси Мураками в Университете Осаки показали, что инженерия внеклеточного матрикса трансплантата для включения специфических гликозаминогликанов (таких как гиалуронан) может создать естественную противовоспалительную среду. Гиалуронан связывается с CD44 на иммунных клетках и модулирует их активность, уменьшая экстравазацию лейкоцитов. Когда децеллюляризованные каркасы легких были рецеллюляризированы обогащенной гиалуронами матрицей, пересаженные легкие в модели свиней показали значительно более низкие показатели отторжения.

Современные проблемы и нерешенные вопросы

Несмотря на эти обнадеживающие результаты, значительные препятствия остаются до того, как органы, обладающие иммунитетом, станут клинической реальностью.

Долгосрочная устойчивость иммунитета

Большинство исследований проводилось на животных в течение недель или месяцев, а не лет. Остается неизвестным, могут ли сконструированные механизмы привилегий поддерживаться в течение десятилетий или же хроническое воздействие низкого иммунного давления в конечном итоге приведет к постепенной потере. Т-клетки могут избежать ингибирования контрольных точек с течением времени, а вирусы или другие инфекции могут усиливать воспалительные сигналы, которые нарушают привилегию.

Непреднамеренные последствия и риски безопасности

Создание зоны подавления иммунитета вокруг трансплантата несет теоретические риски: опухоли, возникающие в привилегированной микросреде, могут избежать иммунного надзора, а патогены могут размножаться беспрепятственно.Рак, такой как посттрансплантируемое лимфопролиферативное расстройство (PTLD), является известным осложнением системной иммуносупрессии, но профиль риска для локализованной привилегии трансплантата неизвестен.

Масштабируемость и производство

Генная инженерия донорских животных, доставка генов ex vivo в органы и перезапуск каркасов — сложные, трудоемкие и дорогостоящие процессы. Масштабирование этих технологий для удовлетворения потребностей сотен тысяч пациентов в списках ожидания трансплантации потребует значительных успехов в производстве, контроле качества и одобрении регулирующих органов.

Иммунологическая память и чувствительность

Если сконструированный привилегированный орган не срабатывает, пациент может стать чувствительным к антигенам, присутствующим на трансплантате, что делает будущую трансплантацию более сложной. Существующий иммунитет у реципиента - либо от предыдущих трансплантаций, переливания крови или беременности - также может представлять проблему, поскольку Т-клетки памяти менее восприимчивы к ингибированию контрольных точек.

Регулирующие и этические соображения

Для ксенотрансплантации активными направлениями дискуссий остаются опасения по поводу зоонозных инфекций, благополучия животных и этики создания генетически модифицированных животных для извлечения органов, а для биоинженерных органов необходимо решать вопросы о собственности, согласии и долгосрочном мониторинге.

Будущие направления и новые технологии

Мультиплексное редактирование генов с помощью CRISPR

Появление CRISPR-Cas9 и технологий редактирования базы позволяет одновременно модифицировать несколько генов у донорских свиней или клеток человека. Исследователи сейчас работают над «гуманизацией» органов свиньи, чтобы выразить полную панель человеческих иммуноуклоняющих молекул. Основная цель — создать «универсальную донорскую» свиную линию с последовательными генетическими модификациями, которые могут быть развернуты глобально.

В Vivo реинжиниринг иммунной системы хозяина

Вместо того, чтобы модифицировать орган самостоятельно, некоторые группы исследуют переходную in vivo инженерию иммунных клеток реципиента для приема трансплантата. Например, доставка мРНК, кодирующей химерный антиген-рецептор, который нацелен на молекулу трансплантата ( «подавляющий CAR»), может перенаправить Т-клетки для активной защиты трансплантата, а не атаковать его. Этот подход показал перспективу в мышиной модели трансплантации сердца в Калифорнийском университете в Сан-Франциско.

Органоиды и 3D-биопечать

Технология биопечати предлагает возможность строить органы слой за слоем, встраивая в конструкцию в микромасштабе иммунопривилегирующие функции.Исследователи из Института регенеративной медицины Уэйк Форест напечатали почечно-подобные структуры с включенными регуляторными клеточными нишами, поскольку это позволяет точно пространственную организацию иммуномодуляторных компонентов.

Искусственный интеллект и вычислительное моделирование

Разрабатываются модели машинного обучения, позволяющие предсказать, как специфические генетические модификации будут взаимодействовать с иммунной системой реципиента. Эти модели могут имитировать тысячи комбинаций модификаций и предлагать оптимальные конфигурации перед переходом к экспериментам на животных, ускоряя процесс проектирования и снижая затраты.

Комбинированная клеточная и генная терапия

Будущие протоколы могут сочетать несколько клеточных методов лечения — например, доставку донор-специфических Tregs, разработанных для экспрессии химерного антигенного рецептора, который распознает трансплантат, наряду с системным введением рапамицина в низких дозах — для создания слоистой, избыточной системы иммунных привилегий, которая может адаптироваться к изменяющимся условиям.

Вывод: к новой эре трансплантации

Проектирование органов, имеющих иммунитет, представляет собой один из самых захватывающих рубежей в трансплантационной медицине. Выявляя принципы, которые защищают наши собственные наиболее уязвимые ткани и применяя их к инженерным трансплантатам, мы имеем потенциал для преобразования трансплантации из процедуры, которая требует пожизненной иммуносупрессии, в процедуру, которая восстанавливает здоровье с минимальным фармакологическим бременем. Путь вперед требует постоянного сотрудничества между молекулярными биологами, иммунологами, учеными-материалистами и клиницистами. Хотя проблемы остаются - от долгосрочной безопасности до масштабируемости производства - темпы прогресса замечательны. В предстоящем десятилетии первые органы, одобренные для клинического использования, могут стать реальностью, предлагая новую надежду сотням тысяч пациентов, ожидающих второго шанса на жизнь.