Încapsularea sau încapsularea (și microîncapsularea / microcapsularea ) celulelor - o tehnologie care constă în imobilizarea celulelor viabile într-o membrană sau o matrice polimerică semipermeabilă care permite difuzia bidirecțională a moleculelor de oxigen, nutrienților, factorilor de creștere și alții necesari pentru metabolismul celular și difuzia externă a produselor de viață și a proteinelor terapeutice, prevenind în același timp contactul acestora cu celulele imune și proteinele mari care pot iniția un răspuns imunitar și pot distruge aceste celule.
Scopul principal al dezvoltărilor în domeniul încapsulării celulare este de a depăși respingerea transplantului în ingineria tisulară și, prin urmare, de a reduce necesitatea utilizării pe termen lung a imunosupresoarelor după transplantul de organe și țesuturi.
Primele experimente de succes în direcția încapsulării celulelor în membrane polimerice au fost publicate în 1934 de Vincenzo Bisceglie [1] . El a demonstrat ca celulele tumorale dintr-o structura polimerica transplantate in cavitatea abdominala a unui porc raman viabile pentru o perioada indelungata fara a fi respinse de sistemul imunitar .
Treizeci de ani mai târziu, în 1964, Thomas Chang a propus ideea încapsulării celulelor în membrane ultrasubțiri și a inventat termenul de „celule artificiale” pentru a defini conceptul de bioîncapsulare. El a emis ipoteza că aceste capsule cu picături nu numai că ar proteja celulele latente de respingerea imunității, ci ar oferi și un raport mare suprafață-volum, ceea ce ar crește livrarea de oxigen și nutrienți. Douăzeci de ani mai târziu, această abordare a fost pusă în practică cu succes pe modele de animale mici, când au fost dezvoltate microcapsule de alginat-polizină-alginat (APA) pentru celulele insulare transplantate la șobolani diabetici . Studiul a arătat că celulele au rămas viabile și au controlat nivelurile de glucoză timp de câteva săptămâni. În 1998, au început studiile pe oameni: celulele producătoare de citocrom P450 încapsulate au fost utilizate cu succes în cancerul pancreatic inoperabil. Prelungirea vieții pacienților a fost de aproximativ două ori mai mare decât a cazurilor similare cunoscute anterior.
Celulele încapsulate oferă cercetătorilor și medicilor o serie de opțiuni suplimentare. În primul rând, astfel de celule pot elibera medicamente pentru o lungă perioadă de timp la locul implantării lor. Astfel de metode de administrare a medicamentelor sunt mai precise și mai economice decât cele tradiționale. În al doilea rând, devine posibilă utilizarea animalelor și a celulelor modificate genetic în cazul lipsei celor donatoare. În al treilea rând, celulele artificiale pot fi administrate la diferiți pacienți, indiferent de antigenul lor leucocitar, ceea ce reduce costul tratamentului.
Potențialul utilizării celulelor microîncapsulate în studiile clinice de succes poate fi realizat dacă sunt îndeplinite cerințele care au apărut în timpul procesului de dezvoltare, cum ar fi utilizarea unui polimer biocompatibil adecvat care formează o membrană semi-permeabilă stabilă mecanic și chimic; producerea de microcapsule de aceeași dimensiune; utilizarea policationilor imunocompatibile adecvate; selectarea tipului de celulă adecvat.
BiomaterialeUtilizarea celui mai bun biomaterial în funcție de aplicație este critică în dezvoltarea sistemelor de livrare a medicamentelor și a ingineriei tisulare. Alginatul este utilizat pe scară largă datorită disponibilității și costului redus, dar au fost folosite și alte materiale precum celuloza, sulfatul de colagen, chitosanul, gelatina și agaroza.
AlginatMai multe grupuri au studiat mai mulți polimeri naturali și sintetici în detaliu, cu scopul de a dezvolta cel mai potrivit biomaterial pentru celulele de microîncapsulare. Polimerii naturali de alginat sunt considerați cele mai potrivite materiale pentru microîncapsulare datorită disponibilității, biocompatibilității excelente și biodegradabilității ușoare.
Alginatul nu este lipsit de dezavantaje. Unii cercetători cred că alginatul de acid manuronic poate provoca un răspuns inflamator și creșterea anormală a celulelor. Alții au arătat că alginatul de acid glucuronic ridicat duce la o creștere și mai activă a celulelor și la un răspuns inflamator in vivo. Chiar și alginații ultrapuri pot conține endotoxine și polifenoli , care pot compromite biocompatibilitatea celulelor încapsulate rezultate. Purificarea alginaților reduce conținutul de endotoxine și polifenoli, dar modifică proprietățile biomaterialului.
Modificarea și funcționalizarea alginatuluiCercetătorii au reușit, de asemenea, să dezvolte microcapsule de alginat remodelate, cu biocompatibilitate crescută și rezistență ridicată la umflarea osmotică. O altă abordare pentru creșterea biocompatibilității membranei biomaterialului este modificarea suprafeței capsulei folosind molecule de peptide și proteine, care, la rândul lor, controlează rata de proliferare și diferențiere a celulelor încapsulate. Un grup care lucrează activ pentru a lega secvența de aminoacizi Arg-Gly-Asp (RGD) la hidrogelurile de alginat a arătat că comportamentul celular poate fi controlat prin densitatea RGD în combinație cu un gel de alginat. Microparticulele de alginat încărcate cu celule mioblaste și RGD funcționalizate au făcut posibilă controlul creșterii și diferențierii celulelor încărcate. Un alt factor important care controlează utilizarea microcapsulelor celulare în practica clinică este dezvoltarea unui polication imunocompatibil adecvat pentru a acoperi granulele de alginat, altfel foarte poroase, și, prin urmare, pentru a conferi stabilitate și protecție imună sistemului. Poli-L-lizina este policationul cel mai utilizat, dar biocompatibilitatea sa scăzută limitează utilizarea clinică de succes a acestor microcapsule formulate cu poli-L-lizină care atrag celulele inflamatorii, inducând astfel necroza celulelor încărcate. Studiile au arătat, de asemenea, că microcapsulele de alginat-P-L-L-alginat (APA) au prezentat stabilitate mecanică scăzută și durată de viață scurtă. Astfel, mai multe grupuri de cercetare au căutat alternative la P-L-L și au arătat rezultate promițătoare cu poli-L-ornitină și poli(metilen clorhidrat-co-guanidină) în realizarea de microcapsule puternice cu rezistență mecanică ridicată și controlată pentru încapsularea celulelor. Mai multe grupuri au explorat, de asemenea, utilizarea chitosanului, care este un polication natural, ca un înlocuitor potențial pentru P-L-L în fabricarea microcapsulelor de alginat-chitosan (A X) pentru programele de livrare celulară. Cu toate acestea, studiile au arătat, de asemenea, că stabilitatea membranelor de alginat-chitosan este din nou limitată și un grup a arătat că modificarea microcapsulelor de alginat-chitosan cu genipin (în mod natural un glicozid iridoid din fructele gardeniei), formând microcapsule de alginat-chitosan reticulate genipin. (GACh), permite creșterea stabilității microcapsulelor încărcate celular.
GelatinaGelatina se obține prin denaturarea colagenului . Deținând multe dintre proprietățile dorite, cum ar fi biodegradabilitatea, biocompatibilitatea, non-imunogenitatea în condiții fiziologice și procesarea ușoară, acest polimer este o alegere bună pentru ingineria țesuturilor. Folosit în ingineria tisulară a pielii, oaselor și cartilajului.
ChitosanChitosanul este o polizaharidă constând din unități monomerice distribuite aleatoriu de D-glucozamină și N-acetil-D-glucozamină conectate prin legături β-(1-4). Obținut din N-deacetilarea și hidroliza parțială a chitinei, este studiat în mod activ pentru problemele sistemelor de administrare a medicamentelor (inclusiv terapia țintită), umplerea spațiului de implanturi, acoperire și pansamente. Dezavantajul acestui polimer este proprietățile sale mecanice slabe, dar este utilizat cu succes pentru încapsularea celulelor în combinație cu alți polimeri, în special, colagenul.
AgaroseAgaroza este o polizaharidă derivată din alge marine, utilizată pentru nanoîncapsularea celulelor și suspensia celulelor de agaroză, care poate fi modificată pentru a forma microbile prin scăderea temperaturii în timpul preparării. Cu toate acestea, unul dintre dezavantajele microbilor preparate în acest mod este posibilitatea de acces celular prin peretele matricei polimerice după formarea capsulei.
Sulfat de celulozăSulfatul de celuloză este derivat din bumbac și, atunci când este procesat corespunzător, poate fi folosit ca bază biocompatibilă în care celulele sunt imobilizate. Când o suspensie de celule într-o soluție de sulfat de celuloză polianionică este adăugată la o soluție dintr-un alt polimer policationic (de exemplu, pDADMAC), se formează o membrană semipermeabilă în jurul celulelor suspendate ca rezultat al gelificării între cei doi poliioni. Atât celulele de mamifere, cât și bacteriile rămân viabile în astfel de condiții și continuă să se replice în interiorul capsulei membranei. Astfel, spre deosebire de alte materiale de încapsulare, această abordare poate fi utilizată pentru a crește celulele prin acțiunea lor ca mini-bioreactor. Natura biocompatibilă a materialului a fost demonstrată în studiile utilizând capsule de implant umplute cu celule, precum și capsule de material izolat.[ ce? ] . Capsulele de sulfat de celuloză au fost testate cu succes în studii preclinice și clinice atât la animale, cât și la oameni, în primul rând pentru terapia tumorală, dar continuă să fie studiate pentru alte aplicații.
Utilizarea unui biomaterial ideal de înaltă calitate cu proprietăți inerente de biocompatibilitate este cel mai important factor care determină eficacitatea pe termen lung a acestei tehnologii. Biomaterialul ideal pentru încapsularea celulelor ar trebui să fie unul care este pe deplin biocompatibil și nu provoacă un răspuns imun la gazdă și nu interferează cu homeostazia celulară , astfel încât să asigure o viabilitate ridicată a celulelor. Cu toate acestea, una dintre limitările majore a fost incapacitatea de a reproduce diferite biomateriale și cerințele de a obține o mai bună înțelegere a chimiei și biofuncționalității biomaterialelor și a sistemului de microcapsule. Mai multe studii au arătat că modificarea suprafeței acestor celule care conțin microparticule permite controlul creșterii și diferențierea celulară a celulelor încapsulate. Un studiu a propus utilizarea potențialului zeta, care măsoară sarcina electrică a unei microcapsule, ca mijloc de a prezice interacțiunea interfacială dintre microcapsulă și țesutul înconjurător și, la rândul său, biocompatibilitatea sistemului de livrare.