Bridging scale-up to transplantation: pluripotent stem cell-derived pancreatic islet encapsulation in emulsion-generated high concentration alginate beads

La diabetes tipo 1 es una afección en la que el sistema inmunológico del cuerpo destruye erróneamente las células específicas del páncreas que producen insulina, una hormona esencial para regular el azúcar en la sangre. Sin estas células, las personas deben depender de inyecciones diarias de insulina para sobrevivir. Durante décadas, los científicos han buscado una forma de reemplazar estas células perdidas, con la esperanza de restaurar la capacidad natural del cuerpo para gestionar la glucosa. Una vía prometedora consiste en crear nuevas células productoras de insulina a partir de células madre, que son células inmaduras capaces de convertirse en muchos tipos diferentes de tejido. Sin embargo, convertir estas células madre en cúmulos funcionales que se comporten como los islotes pancreáticos naturales es solo la mitad de la batalla. Para ser útiles en el tratamiento de muchos pacientes, estas células deben cultivarse en grandes cantidades, un proceso que a menudo hace que se agrupen formando masas enormes y poco saludables o que se dañen por el movimiento necesario para mantenerlas vivas en un laboratorio. Además, una vez cultivadas, estas células necesitan protección contra el sistema inmunológico del paciente para evitar el rechazo, un obstáculo que usualmente requiere que los pacientes tomen medicamentos fuertes de por vida.

Un equipo de investigadores de la Universidad McGill ha desarrollado un nuevo método para resolver estos problemas simultáneamente. Crearon una forma de cultivar islotes derivados de células madre dentro de diminutas esferas protectoras hechas de una sustancia natural llamada alginato, que se deriva de las algas marinas. Al colocar las células en desarrollo dentro de estas esferas antes de que estén completamente maduras, los investigadores descubrieron que podían cultivarlas en tanques agitados de gran tamaño sin que las células se pegaran entre sí o murieran por el estrés mecánico del movimiento. Más importante aún, estas esferas protectoras permitieron que las células sobrevivieran y funcionaran durante meses tras ser trasplantadas en ratones, todo ello sin necesidad de que los animales tomaran fármacos inmunosupresores. Este trabajo sugiere un camino hacia un proceso de fabricación escalable que podría, eventualmente, producir suficientes células para tratar a muchas personas con diabetes, manteniendo al mismo tiempo las células seguras frente a las defensas del cuerpo.

El viaje comenzó con un desafío específico: cómo cultivar islotes derivados de células madre en grandes cantidades. En el laboratorio, estas células se cultivan normalmente en suspensión líquida, donde se mueven constantemente para asegurar que reciban suficiente oxígeno y nutrientes. Si bien esto funciona para lotes pequeños, escalar a los volúmenes necesarios para la terapia humana provoca que las células choquen y se fusionen en enormes e irregulares cúmulos. Estos cúmulos se vuelven demasiado grandes para que los nutrientes lleguen al centro, lo que provoca la muerte celular. Además, las fuerzas físicas de la agitación pueden dañar las delicadas células. Los investigadores plantearon la hipótesis de que, si pudieran envolver cada pequeño cúmulo de células en una cubierta protectora al principio del proceso, podrían evitar que se fusionen y protegerlas de las duras fuerzas de los biorreactores a gran escala.

Para probar esto, el equipo primero cultivó células madre humanas en cúmulos que comenzaban a parecerse a islotes pancreáticos. Luego utilizaron un proceso que involucra aceite y agua para crear miles de diminutas gotas, cada una de las cuales contenía un pequeño grupo de células suspendidas en una solución de alginato líquido. Mediante la adición de un desencadenante químico específico, convirtieron estas gotas líquidas en perlas sólidas de tipo gel. Experimentaron con diferentes resistencias del gel de alginato, que variaban desde suave hasta bastante rígido, para ver cómo el entorno afectaba a las células. Descubrieron que las células sobrevivían bien en todas las condiciones, pero la rigidez del gel sí influyó en los tipos de células que se desarrollaron. En los geles más rígidos, las células tenían más probabilidades de convertirse en células alfa, que producen una hormona llamada glucagón, mientras que los entornos más suaves y los grupos no encapsulados produjeron más células beta, el tipo específico necesario para producir insulina. A pesar de estas diferencias, las células en todos los grupos mantuvieron la capacidad de detectar los niveles de azúcar y liberar insulina cuando era necesario.

La prueba más significativa llegó cuando los investigadores trasladaron estas células encapsuladas a un biorreactor de 100 mililitros, una versión pequeña de los tanques grandes utilizados en la fabricación industrial. Cultivaron las células durante 25 días, un periodo lo suficientemente largo como para ver si la protección se mantenía. Los resultados fueron sorprendentes. Las células no encapsuladas, que flotaban libremente, crecieron en cúmulos masivos y fusionados, y sufrieron una pérdida celular significativa, quedando solo alrededor del 60 por ciento de las células originales. En cambio, las células encapsuladas se mantuvieron como cúmulos distintos y uniformes, y el 91 por ciento de ellas sobrevivió al periodo de cultivo prolongado. Las cubiertas protectoras evitaron con éxito que las células se pegaran entre sí y las protegieron del estrés físico del movimiento de agitación. Esto demostró que el método podía escalarse sin perder las preciosas células necesarias para la terapia.

Para ver si estas células realmente podían funcionar dentro de un cuerpo vivo, los investigadores trasplantaron los cúmulos encapsulados en ratones que habían sido modificados genéticamente para carecer de sistema inmunológico, asegurando que las células no fueran atacadas. Los ratones recibieron las células directamente en su cavidad abdominal, un sitio común para tales estudios. Los resultados mostraron que las células comenzaron a trabajar casi de inmediato. En una semana, los ratones empezaron a producir péptido C humano, un marcador que indica que las células trasplantadas estaban fabricando insulina con éxito. Durante los siguientes 98 días, las células continuaron funcionando, respondiendo a las comidas mediante la liberación de insulina y ayudando a regular los niveles de azúcar en la sangre. Cuando los investigadores examinaron las células después de tres meses, las encontraron sanas, viables y todavía produciendo insulina, sin signos de tejido cicatricial o ataque inmunológico que suelen arruinar tales trasplantes.

Este estudio proporciona un vínculo crucial entre la creación de laboratorio de terapias con células madre y su potencial uso en la medicina del mundo real. Al demostrar que estas células pueden cultivarse en grandes cantidades, protegerse del daño y trasplantarse con éxito sin un rechazo inmunológico inmediato, los investigadores han abordado dos de los mayores obstáculos en este campo. El método descrito es relativamente sencillo y no requiere equipos complejos y especializados, lo que lo convierte en una opción práctica para la fabricación futura. Si bien las células no produjeron tanta insulina como aquellas colocadas bajo la cápsula renal —un sitio altamente vascularizado utilizado para comparación—, su capacidad para funcionar durante tres meses en la cavidad abdominal es un gran paso adelante. El trabajo sugiere que, con un mayor refinamiento, este enfoque podría conducir a una forma fiable y escalable de producir los millones de células necesarias para tratar la diabetes, ofreciendo un futuro potencial donde los pacientes ya no necesiten depender de las inyecciones diarias.