Подкожный имплант насыщает кислородом поджелудочную железу, эффективно контролируя диабет 1 типа

Ученые разработали имплант, способный лечить диабет 1 типа без применения иммуносупрессии, обеспечивая дополнительный приток кислорода к клеткам, вырабатывающим инсулин. В отличие от предыдущих устройств, новый имплант поддерживает высокую плотность клеток поджелудочной железы благодаря миниатюрному съемному электрогенератору, производящему кислород. Эта инновационная технология в будущем может быть адаптирована и для лечения других хронических заболеваний.

Диабет 1 типа — это аутоиммунное заболевание, при котором иммунные клетки атакуют бета-клетки поджелудочной железы, ответственные за выработку инсулина. В результате организм теряет контроль над уровнем сахара в крови, и пациенты вынуждены пожизненно зависеть от инъекций инсулина. Это требует постоянного и тщательного контроля за питанием, сном, уровнем стресса и другими факторами.

Несмотря на прогресс в инсулинотерапии, существующие методы лечения не исключают риска серьезных осложнений, таких как тяжелые гипогликемические эпизоды или необратимые повреждения органов из-за хронически повышенного сахара. В течение нескольких десятилетий ученые исследуют клеточную терапию как возможное решение. Клинические испытания по трансплантации островков поджелудочной железы показали, что контроль уровня глюкозы без внешнего введения инсулина возможен.

Однако этот подход имеет существенные ограничения: пациенты по-прежнему нуждаются в пожизненной иммуносупрессии, что повышает риск инфекций и нефротоксичности (поражения почек). Альтернативой стала технология клеточной инкапсуляции, при которой трансплантированные клетки помещаются в полупроницаемую оболочку, защищающую их от иммунной системы, но пропускающую необходимые для метаболизма молекулы.

Главной проблемой остается срок службы импланта после пересадки. «Одна из основных трудностей — гибель клеток из-за нехватки кислорода после имплантации», — объясняет Лора Фуонг Тран, аспирантка кафедры биологической и экологической инженерии Корнеллского университета (США).

Чтобы решить эту проблему, Тран и ее коллеги разработали имплант со встроенным кислородным генератором. «Нам нужно обеспечить две ключевые функции: защиту от иммунной системы и поддержание обмена веществ, то есть проникновения глюкозы и других питательных веществ», — уточняет она.

Устройство, описанное в журнале Nature Communications, представляет собой цилиндрическую капсулу с кольцевым сечением, содержащую островки поджелудочной железы. В него встроен съемный электрогенератор кислорода размером с небольшую монету. Капсула окружена нановолоконной мембраной, которая блокирует доступ иммунных клеток, но пропускает молекулы, такие как глюкоза.

Центральная мембрана, также проницаемая, распределяет кислород по клеточным кластерам. «Эта система обеспечивает постоянную подачу кислорода за счет электролиза тканевой влаги, что позволяет достичь высокой плотности инкапсулированных клеток (60 000 IEQ/мл)», — пишут авторы исследования.

Технология основана на предыдущих разработках лаборатории Минглина Ма, профессора биологической и экологической инженерии в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни (CALS). Ранние версии капсул, испытанные на мышах, эффективно контролировали уровень сахара, но их срок службы был ограничен из-за нехватки кислорода.

«В наших экспериментах мыши с имплантами жили более года, и диабет оставался под контролем, несмотря на отсутствие дополнительной подачи кислорода. Однако при масштабировании технологии требуется больше клеток, а значит, и более высокая плотность. Без кислорода клетки часто погибали в течение двух недель», — отмечает Тран.

Новый имплант успешно протестировали на крысах. После подкожной установки капсула предотвратила проникновение иммунных клеток, а мембрана оставалась функциональной в течение нескольких месяцев без засорения. Устройство компенсировало диабет до трех месяцев без иммуносупрессии, тогда как у контрольной группы сохранялась гипергликемия.

По мнению исследователей, эти результаты подтверждают, что имплант обеспечивает более точный контроль уровня сахара и в перспективе может значительно улучшить качество жизни пациентов, позволяя им питаться и вести активность почти так же, как здоровым людям.

Следующим этапом станут испытания на более крупных животных, например свиньях, а также на человеческих стволовых клетках. Ученые также рассматривают возможность долгосрочного применения технологии для лечения других хронических заболеваний.

«Мы представляем будущее, в котором импланты с аллогенными клетками, полученными из человеческих стволовых линий, смогут длительно заменять утраченные функции организма», — говорит Линда Темпельман, соавтор исследования. Такие капсулы можно будет использовать для доставки эндорфинов для обезболивания, ферментов для заместительной терапии или противовоспалительных молекул пациентам с аутоиммунными заболеваниями, сопровождающимися неконтролируемым воспалением.