Исследователи Northwestern Engineering разработали новый антиоксидантный биоматериал, который когда-нибудь сможет оказать необходимую помощь людям, страдающим хроническим панкреатитом.
Прежде чем хирурги удалят поджелудочную железу у пациентов с тяжелым, болезненным хроническим панкреатитом, они сначала собирают скопления ткани, вырабатывающей инсулин, и пересаживают их в сосудистую сеть печени. Цель трансплантации — сохранить способность пациента самостоятельно контролировать уровень глюкозы в крови без инъекций инсулина.
К сожалению, этот процесс непреднамеренно разрушает 50-80 процентов бета-клеток, и треть пациентов после операции становятся диабетиками. Через три года после операции 70 процентам пациентов требуются инъекции инсулина, которые сопровождаются целым рядом побочных эффектов, включая увеличение веса, гипогликемию и повышенную утомляемость.
В новом исследовании ученые пересадили часть поджелудочной железы в сальник — большую плоскую жировую ткань, покрывающую кишечник, — вместо печени. А чтобы создать более здоровую микросреду, исследователи прикрепили их к сальнику с помощью биоматериала, обладающего антиоксидантными и противовоспалительными свойствами, который быстро превращается из жидкости в гель под воздействием температуры тела.
В исследованиях на мышах и приматах, отличных от человека, гель успешно предотвращал окислительный стресс и воспалительные реакции, значительно улучшая выживаемость и сохраняя функцию трансплантированных островков.
«Несмотря на то, что трансплантация островков с годами улучшилась, долгосрочные результаты остаются неудовлетворительными», — сказал Гильермо А. Амир, руководитель исследования. «Очевидно, что существует потребность в альтернативных решениях. Мы разработали ультрасовременный синтетический материал, который обеспечивает благоприятную микросреду для функционирования островков. Испытания на животных показали успех. Он максимально улучшил функцию островков и восстановил нормальный уровень сахара в крови. Мы также сообщаем о снижении количества единиц инсулина, необходимых животным».
«Мы надеемся, что благодаря этому подходу пациентам больше не придется выбирать между физической болью от хронического панкреатита и осложнениями диабета», — добавила Жаклин Берк, доцент кафедры биомедицинской инженерии Северо-Западного университета и первый автор статьи.
Для пациентов, живущих без поджелудочной железы, такие побочные эффекты, как поддержание уровня сахара в крови, могут стать проблемой на всю жизнь. Выделяя инсулин в ответ на глюкозу, островки помогают организму поддерживать гликемический контроль. При отсутствии функционирующих островков люди должны внимательно следить за уровнем сахара в крови и вводить инсулин извне.
«Жизнь без функциональных островков ложится тяжелым бременем на пациентов», — сказал Берк. «Они должны научиться подсчитывать количество потребляемых углеводов, вводить инсулин в нужное время и постоянно контролировать уровень глюкозы в крови. Даже при соблюдении большой осторожности экзогенная инсулинотерапия не так эффективна, как островковая, для поддержания контроля уровня глюкозы в крови. У пациентов с уровнем глюкозы в крови, выходящим за пределы нормы, могут развиться осложнения.
Но, к сожалению, современные стандарты лечения для сохранения островков часто приводят к плохим результатам. После операции по удалению поджелудочной железы хирурги выделяют островки из поджелудочной железы и трансплантируют их в печень путем инфузии в воротную вену. Эта процедура внутрипортальной перфузии имеет несколько распространенных осложнений. Островки, находящиеся в непосредственном контакте с кровотоком, подвергаются воспалительной реакции, более половины островков отмирают, а пересаженные островки могут привести к образованию опасных тромбов в печени. По этим причинам врачи и исследователи ищут альтернативное место для трансплантации.
В предыдущих клинических исследованиях исследователи пересаживали островки в сальник вместо печени, чтобы избежать проблем со свертываемостью крови. Чтобы закрепить островки на сальнике, врачи использовали плазму из собственной крови пациентов для формирования биологического геля. Несмотря на то, что сальник, по-видимому, лучше подходит для трансплантации, чем печень, оставалось несколько проблем, включая образование тромбов и воспаление.
«Исследовательские и медицинские круги проявили значительный интерес к поиску альтернативного места для трансплантации островков», — сказал Амир. «Результаты исследования сальника были обнадеживающими, но результаты были разными. Мы считаем, что это связано с тем, что использование крови пациентов и добавленных компонентов, необходимых для создания биологического геля, может повлиять на воспроизводимость результатов у пациентов».
Чтобы защитить островки и улучшить результаты, Амир обратился к разработанной в его лаборатории платформе биоматериалов на основе цитратов с присущими им антиоксидантными свойствами.
Биоматериалы на основе цитратов, используемые в продуктах, одобренных FDA для операций на опорно-двигательном аппарате, продемонстрировали способность контролировать воспалительные реакции организма. Компания Ameer задалась целью выяснить, может ли разновидность этих биоматериалов с биоразлагаемыми свойствами и способностью изменять фазу в зависимости от температуры стать превосходной альтернативой биологическому гелю, получаемому из крови.
На этом снимке показаны трансплантированные островки (темно-фиолетовые) и кровеносные сосуды (красные/темно-розовые области — это клетки крови внутри кровеносных сосудов).
В клеточных культурах как мышиные, так и человеческие островки, помещенные в гель на основе цитрата, сохраняли жизнеспособность гораздо дольше, чем островки в других растворах. При воздействии глюкозы островки секретировали инсулин, демонстрируя нормальную функциональность. Выйдя за рамки клеточных культур, команда Амира протестировала гель на моделях мелких и крупных животных. Жидкий при комнатной температуре материал превращается в гель при температуре тела, поэтому его легко наносить и он легко остается на месте.
В исследованиях на животных гель эффективно закреплял островки на сальнике животных. По сравнению с существующими методами, выжило больше островков, и со временем у животных восстановился нормальный уровень глюкозы в крови. По словам Амира, успех частично обусловлен биосовместимостью и антиоксидантной природой нового материала.
«Островки очень чувствительны к кислороду», — сказал Амир. «На них влияет как недостаток, так и переизбыток кислорода. Природные антиоксидантные свойства материала защищают клетки. Плазма вашей собственной крови не обеспечивает такого же уровня защиты.»
Примерно через три месяца организм рассасывал 80-90% биосовместимого геля. Но на тот момент в нем больше не было необходимости.
Внедряясь в ткани
«Что было удивительно, так это то, что островки регенерировали кровеносные сосуды», — сказал Амир. «Организм сформировал сеть новых кровеносных сосудов, которые соединяют островки с телом. Это большой прорыв, потому что кровеносные сосуды поддерживают островки живыми и здоровыми. В то же время наш гель просто рассасывается в окружающих тканях, практически не оставляя следов».
Внедряясь в ткани
Затем Амир планирует протестировать свой гидрогель на животных моделях в течение более длительного периода времени. Он сказал, что новый гидрогель также может быть использован для различных методов клеточной терапии, включая бета-клетки, полученные из стволовых клеток, для лечения диабета.
