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

Il diabete di tipo 1 è una condizione in cui il sistema immunitario del corpo distrugge erroneamente le cellule specifiche del pancreas che producono insulina, un ormone essenziale per regolare la glicemia. Senza queste cellule, le persone devono fare affidamento su iniezioni quotidiane di insulina per sopravvivere. Per decenni, gli scienziati hanno cercato un modo per sostituire queste cellule perdute, sperando di ripristinare la capacità naturale del corpo di gestire il glucosio. Una via promettente consiste nel creare nuove cellule produttrici di insulina a partire da cellule staminali, ovvero cellule immature capaci di trasformarsi in molti tipi diversi di tessuto. Tuttavia, trasformare queste cellule staminali in cluster funzionali che si comportino come i naturali isolotti pancreatici è solo metà della battaglia. Per essere utili nel trattamento di molti pazienti, queste cellule devono essere coltivate in grandi quantità, un processo che spesso le porta ad ammassarsi insieme in enormi e malsani blocchi o a essere danneggiate dal movimento necessario per mantenerle in vita in laboratorio. Inoltre, una volta coltivate, queste cellule devono essere protette dal sistema immunitario del paziente per prevenire il rigetto, un ostacolo che solitamente richiede ai pazienti di assumere farmaci forti per tutta la vita.

Un team di ricercatori dell'Università McGill ha sviluppato un nuovo metodo per risolvere questi problemi simultaneamente. Hanno creato un modo per far crescere le cellule derivate da staminali all'interno di minuscole sfere protettive fatte di una sostanza naturale chiamata alginato, che deriva dalle alghe. Posizionando le cellule in fase di sviluppo all'interno di queste sfere prima che siano completamente mature, i ricercatori hanno scoperto di poterle coltivare in grandi serbatoi agitati senza che le cellule si attacchino tra loro o muoiano a causa dello stress meccanico causato dal movimento. Ancora più importante, queste sfere protettive hanno permesso alle cellule di sopravvivere e funzionare per mesi dopo il trapianto nei topi, senza la necessità che gli animali assumessero farmaci immunosoppressori. Questo lavoro suggerisce una strada verso un processo di produzione scalabile che potrebbe eventualmente produrre abbastanza cellule da trattare molte persone affette da diabete, mantenendo al contempo le cellule al sicuro dalle difese dell'organismo.

Il viaggio è iniziato con una sfida specifica: come far crescere in grandi numeri le cellule derivate da staminali. In laboratorio, queste cellule vengono tipicamente coltivate in sospensione liquida, dove vengono costantemente mosse per garantire che ricevano abbastanza ossigeno e nutrienti. Sebbene questo funzioni per piccoli lotti, passare alla scala necessaria per la terapia umana causa la collisione e la fusione delle cellule in enormi ammassi irregolari. Questi ammassi diventano troppo grandi perché i nutrienti possano raggiungere il centro, portando alla morte cellulare. Inoltre, le forze fisiche dell'agitazione possono danneggiare le cellule delicate. I ricercatori hanno ipotizzato che, se avessero potuto racchiudere ogni piccolo gruppo di cellule in un guscio protettivo nelle prime fasi del processo, avrebbero potuto impedire loro di fondersi e proteggerle dalle dure forze dei bioreattori su larga scala.

Per testare questo, il team ha prima fatto crescere cellule staminali umane in cluster che stavano iniziando ad assomigliare a isolotti pancreatici. Successivamente, hanno utilizzato un processo che coinvolge olio e acqua per creare migliaia di minuscole gocce, ognuna contenente un piccolo gruppo di cellule sospese in una soluzione di alginato liquido. Aggiungendo un particolare stimolo chimico, hanno trasformato queste gocce liquide in perle solide, simili a un gel. Hanno sperimentato diverse intensità del gel di alginato, che variavano da morbido a piuttosto rigido, per vedere come l'ambiente influenzasse le cellule. Hanno scoperto che le cellule sopravvivevano bene in tutte le condizioni, ma la rigidità del gel influenzava il tipo di cellule che si sviluppavano. Nei gel più rigidi, le cellule avevano maggiori probabilità di diventare cellule alfa, che producono un ormone chiamato glucagone, mentre gli ambienti più morbidi e i gruppi non incapsulati producevano più cellule beta, il tipo specifico necessario per produrre insulina. Nonostante queste differenze, le cellule in tutti i gruppi rimanevano capaci di percepire i livelli di zucchero e rilasciare insulina quando necessario.

Il test più significativo è avvenuto quando i ricercatori hanno spostato questi cluster incapsulati in un bioreattore da 100 millilitri, una versione piccola dei grandi serbatoi utilizzati nella produzione industriale. Hanno fatto crescere le cellule per 25 giorni, un periodo sufficientemente lungo per vedere se la protezione reggeva. I risultati sono stati sorprendenti. Le cellule non incapsulate, lasciate a fluttuare liberamente, sono cresciute in enormi ammassi fusi e hanno subito una perdita cellulare significativa, con solo circa il 60 percento delle cellule originali rimaste. Al contrario, le cellule incapsulate sono rimaste cluster distinti e uniformi, e il 91 percento di esse è sopravvissuto al prolungato periodo di coltura. I gusci protettivi hanno impedito con successo alle cellule di attaccarsi tra loro e le hanno schermate dallo stress fisico del movimento di agitazione. Ciò ha dimostrato che il metodo poteva essere scalato senza perdere le preziose cellule necessarie per la terapia.

Per vedere se queste cellule potessero effettivamente funzionare all'interno di un organismo vivente, i ricercatori hanno trapiantato i cluster incapsulati in topi che erano stati geneticamente modificati per privarli di un sistema immunitario, assicurando che le cellule non venissero attaccate. I topi hanno ricevuto le cellule direttamente nella cavità addominale, un sito comune per tali studi. I risultati hanno mostrato che le cellule hanno iniziato a lavorare quasi immediatamente. Entro una settimana, i topi hanno iniziato a produrre C-peptide, un marcatore che indica che le cellule trapiantate stavano producendo con successo insulina. Nel corso dei successivi 98 giorni, le cellule hanno continuato a funzionare, rispondendo ai pasti rilasciando insulina e aiutando a regolare i livelli di zucchero nel sangue. Quando i ricercatori hanno esaminato le cellule dopo tre mesi, le hanno trovate sane, vitali e ancora capaci di produrre insulina, senza segni di tessuto cicatriziale o attacco immunitario che spesso rovina tali trapianti.

Questo studio fornisce un collegamento cruciale tra la creazione in laboratorio delle terapie da cellule staminali e il loro potenziale uso nella medicina reale. Dimostrando che queste cellule possono essere coltivate in grandi quantità, protette dai danni e trapiantate con successo senza un immediato rigetto immunitario, i ricercatori hanno affrontato due dei più grandi ostacoli nel campo. Il metodo descritto è relativamente semplice e non richiede attrezzature complesse e specializzate, rendendolo un'opzione pratica per la futura produzione. Sebbene le cellule non producessero tanta insulina quanto quelle posizionate sotto la capsula renale — un sito altamente vascolarizzato usato come confronto standard — la loro capacità di funzionare per tre mesi nella cavità addominale è un passo avanti fondamentale. Il lavoro suggerisce che, con ulteriori perfezionamenti, questo approccio potrebbe portare a un modo affidabile e scalabile per produrre i milioni di cellule necessari per trattare il diabete, offrendo un futuro potenziale in cui i pazienti non debbano più fare affidamento sulle iniezioni quotidiane.