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

Le diabète de type 1 est une maladie où le système immunitaire du corps détruit par erreur les cellules spécifiques du pancréas qui produisent l'insuline, une hormone essentielle à la régulation du taux de sucre dans le sang. Sans ces cellules, les personnes doivent compter sur des injections quotidiennes d'insuline pour survivre. Pendant des décades, les scientifiques ont cherché un moyen de remplacer ces cellules perdues, espérant restaurer la capacité naturelle du corps à gérer le glucose. Une voie prometteuse consiste à créer de nouvelles cellules productrices d'insuline à partir de cellules souches, qui sont des cellules immatures capables de se transformer en de nombreux types de tissus différents. Cependant, transformer ces cellules souches en amas fonctionnels qui se comportent comme des îlots pancréatiques naturels n'est que la moitié de la bataille. Pour être utiles au traitement de nombreux patients, ces cellules doivent être cultivées en grandes quantités, un processus qui provoque souvent leur regroupement en masses massives et malsaines ou les endommage par le mouvement nécessaire pour les maintenir en vie en laboratoire. De plus, une fois cultivées, ces cellules doivent être protégées du système immunitaire du patient pour éviter le rejet, un obstacle qui nécessite généralement aux patients de prendre des médicaments puissants à vie.

Une équipe de chercheurs de l'Université McGill a développé une nouvelle méthode pour résoudre ces problèmes simultanément. Ils ont créé un moyen de cultiver des îlots dérivés de cellules souches à l'intérieur de minuscules sphères protectrices faites d'une substance naturelle appelée alginate, qui est dérivée d'algues. En plaçant les cellules en développement à l'intérieur de ces sphères avant qu'elles ne soient pleinement matures, les chercheurs ont découvert qu'ils pouvaient les cultiver dans de grands réservoirs agités sans que les cellules ne collent entre elles ou ne meurent du stress mécanique du mouvement. Plus important encore, ces sphères protectrices ont permis aux cellules de survivre et de fonctionner pendant des mois après avoir été transplantées chez des souris, sans que les animaux n'aient besoin de prendre des médicaments immunosuppresseurs. Ce travail suggère une voie vers un processus de fabrication évolutif qui pourrait éventuellement produire suffisamment de cellules pour traiter de nombreuses personnes atteintes de diabète, tout en protégeant les cellules des défenses du corps.

Le voyage a commencé par un défi spécifique : comment cultiver des îlots dérivés de cellules souches en grand nombre. Au laboratoire, ces cellules sont généralement cultivées en suspension liquide, où elles sont constamment déplacées pour garantir qu'elles reçoivent suffisamment d'oxygène et de nutriments. Bien que cela fonctionne pour de petits lots, l'augmentation de l'échelle aux volumes nécessaires pour une thérapie humaine provoque la collision et la fusion des cellules en de gigantesques amas irréguliers. Ces amas deviennent trop grands pour que les nutriments atteignent le centre, entraînant la mort cellulaire. De plus, les forces physiques de l'agitation peuvent endommager les cellules délicates. Les chercheurs ont émis l'hypothielse que s'ils pouvaient envelopper chaque petit groupe de cellules dans une coque protectrice tôt dans le processus, ils pourraient empêcher leur fusion et les protéger des forces dures des bioréacteurs à grande échelle.

Pour tester cela, l'équipe a d'abord cultivé des cellules souches humaines en amas qui commençaient à ressembler à des îlots pancréatiques. Ils ont ensuite utilisé un processus impliquant de l'huile et de l'eau pour créer des milliers de minuscules gouttelettes, chacune contenant un petit groupe de cellules suspendu dans une solution d'alginate liquide. En ajoutant un déclencheur chimique spécifique, ils ont transformé ces gouttelettes liquides en billes solides de type gel. Ils ont expérimenté différentes intensités de gel d'alginate, allant de mou à très ferme, pour voir comment l'environnement affectait les cellules. Ils ont constaté que les cellules survivaient bien dans toutes les conditions, mais que la rigidité du gel influençait les types de cellules qui se développaient. Dans les gels plus fermes, les cellules étaient plus susceptibles de devenir des cellules alpha, qui produisent une hormone appelée glucagon, tandis que les environnements plus mous et les groupes non encapsulés produisaient davantage de cellules bêta, le type spécifique nécessaire pour fabriquer de l'insuline. Malgré ces différences, les cellules de tous les groupes restaient capables de détecter les niveaux de sucre et de libérer de l'insuline lorsque nécessaire.

Le test le plus significatif est venu lorsque les chercheurs ont déplacé ces cellules encapsulées dans un bioréacteur de 100 millilitres, une petite version des grands réservaux utilisés pour la fabrication industrielle. Ils ont cultivé les cellules pendant 25 jours, une période assez longue pour voir si la protection tenait bon. Les résultats étaient frappants. Les cellules non encapsulées, laissées à flot librement, se sont transformées en amas fusionnés massifs et ont subi une perte cellulaire significative, avec seulement environ 60 % des cellules originales restantes. En revanche, les cellules encapsulées sont restées des grappes distinctes et uniformes, et 91 % d'entre elles ont survécu à la période de culture prolongée. Les coques protectrices ont réussi à empêcher les cellules de coller ensemble et les ont protégées du stress physique du mouvement de l'agitation. Cela a démontré que la méthode pouvait être mise à l'échelle sans perdre les précieuses cellules nécessaires à la thérapie.

Pour voir si ces cellules pouvaient réellement fonctionner dans un corps vivant, les chercheurs ont transplanté les amas encapsulés dans des souris qui avaient été génétiquement modifiées pour être dépourvues de système immunitaire, garantissant que les cellules ne seraient pas attaquées. Les souris ont reçu les cellules directement dans leur cavité abdominale, un site commun pour de telles études. Les résultats ont montré que les cellules commençaient à fonctionner presque immédiatement. En une semaine, les souris ont commencé à produire du peptide C humain, un marqueur qui indique que les cellules transplantées fabriquaient avec succès de l'insuline. Au cours des 98 jours suivants, les cellules ont continué à fonctionner, répondant aux repas en libérant de l'insuline et en aidant à réguler les taux de sucre dans le sang. Lorsque les chercheurs ont examiné les cellules après trois mois, ils les ont trouvées saines, viables et produisant toujours de l'insuline, sans signe de tissu cicatriciel ou d'attaque immunitaire qui ruine souvent de telles transplantations.

Cette étude fournit un lien crucial entre la création en laboratoire de thérapies par cellules souches et leur potentiel d'utilisation dans la médecine réelle. En prouvant que ces cellules peuvent être cultivées en grandes quantités, protégées des dommages et transplantées avec succès sans rejet immunitaire immédiat, les chercheurs ont abordé deux des plus grands obstacles dans ce domaine. La méthode décrite est relativement simple et ne nécessite pas d'équipement complexe et spécialisé, ce qui en fait une option pratique pour la fabrication future. Bien que les cellules n'aient pas produit autant d'insuline que celles placées sous la capsule rénale — un site hautement vascularisé utilisé pour comparaison — leur capacité à fonctionner pendant trois mois dans la cavité abdominale est une étape majeure. Le travail suggère qu'avec un perfectionnement supplémentaire, cette approche pourrait mener à un moyen fiable et évolutif de produire les millions de cellules nécessaires pour traiter le diabète, offrant un avenir potentiel où les patients n'auront plus besoin de compter sur des injections quotidiennes.