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

Type 1 diabetes is een aandoening waarbij het immuunsysteem van het lichaam per ongeluk de specifieke cellen in de pancreas vernietigt die insuline produceren, een hormoon dat essentieel is voor het reguleren van de bloedsuikerspiegel. Zonder deze cellen moeten mensen dagelijkse insuline-injecties gebruiken om te overleven. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een manier om deze verloren gegane cellen te vervangen, in de hoop het natuurlijke vermogen van het lichaam om glucose te beheren te herstellen. Een veelbelovende weg houdt in dat er nieuwe insulineproducerende cellen worden gemaakt van stamcellen, wat onrijpe cellen zijn die in veel verschillende soorten weefsel kunnen veranderen. Het omzetten van deze stamcellen in functionele clusters die zich gedragen als natuurlijke pancreaseilanden is echter slechts de helft van de strijd. Om bruikbaar te zijn voor de behandeling van veel patiënten, moeten deze cellen in grote hoeveelheden worden gekweekt, een proces dat er vaak toe leidt dat ze samenklonteren tot enorme, ongezonde bollen of beschadigd raken door de beweging die nodig is om ze in een laboratorium in leven te houden. Bovendien moeten deze cellen, eenmaal gegroeid, worden beschermd tegen het immuunsysteem van de patiënt om afstoting te voorkomen, een hindernis die meestal vereist dat patiënten levenslang sterke medicatie slikken.

Een team van onderzoekers aan McGill University heeft een nieuwe methode ontwikkeld om deze problemen tegelijkertijd op te lossen. Ze creëerden een manier om stamcelafgeleide eilanden te kweken binnen kleine, beschermende sferen gemaakt van een natuurlijke stof genaamd alginaat, die wordt verkregen uit zeewier. Door de ontwikkelende cellen in deze sferen te plaatsen voordat ze volledig volgroeid zijn, ontdekten de onderzoekers dat ze de cellen in grote, geroerde tanks konden kweken zonder dat de cellen aan elkaar plakten of stierven door de mechanische stress van de beweging. Belangrijker nog, deze beschermende sferen zorgden ervoor dat de cellen maandenlang konden overleven en functioneren na transplantatie in muizen, zonder dat de dieren immuunonderdrukkende medicijnen nodig hadden. Dit werk suggereert een pad naar een schaalbaar productieproces dat uiteindelijk genoeg cellen zou kunnen produceren om veel mensen met diabetes te behandelen, terwijl de cellen veilig worden gehouden voor de afweer van het lichaam.

De reis begon met een specifieke uitdaging: hoe kweek je stamcelafgeleide eilanden in grote aantallen. In het laboratorium worden deze cellen gewoonlijk gekweekt in een vloeibare suspensie, waarbij ze constant worden bewogen om ervoor te zorgen dat ze voldoende zuurstof en voedingsstoffen ontvangen. Hoewel dit werkt voor kleine batches, veroorzaakt het opschalen naar de volumes die nodig zijn voor menselijke therapie dat de cellen met elkaar botsen en samensmelten tot gigantische, onregelmatige klonten. Deze klonten worden te groot zodat voedingsstoffen het centrum niet kunnen bereiken, wat leidt tot celsterfte. Daarnaast kunnen de fysieke krachten van het roeren de delicate cellen beschadigen. De onderzoekers hypotheseerden dat als ze elk klein celcluster in een beschermende schil zouden inkapselen vroeg in het proces, ze de cellen konden voorkomen dat ze aan elkaar fuseerden en hen konden beschermen tegen de harde krachten van grootschalige bioreactoren.

Om dit te testen, kweekden de onderzoekers eerst menselijke stamcellen tot clusters die begonnen te lijken op pancreaseilanden. Vervolgens gebruikten ze een proces waarbij olie en water werden gebruikt om duizenden kleine druppeltjes te maken, elk met een kleine groep cellen gesuspendeerd in een vloeibare alginaatoplossing. Door een specifieke chemische trigger toe te voegen, veranderden ze deze vloeibare druppeltjes in solide, gelachtige kralen. Ze experimenteerden met verschillende sterktes van de alginaatgel, variërend van zacht tot vrij stijf, om te zien hoe de omgeving de cellen beïnvloedde. Ze ontdekten dat de cellen goed overleefden in alle omstandigheden, maar dat de stijfheid van de gel wel invloed had op de soorten cellen die zich ontwikkelden. In de stijvere gels waren de cellen eerder alfa-cellen, die een hormoon genaamd glucagon produceren, terwijl de zachtere omgevingen en niet-ingekapselde groepen meer bètacellen produceerden, het specifieke type dat nodig is om insuline te maken. Ondanks deze verschillen bleven de cellen in alle groepen in staat om suikerniveaus waar te nemen en insuline vrij te geven wanneer dat nodig was.

De meest significante test kwam toen de onderzoekers de ingekapselde cellen verplaatsten naar een bioreactor van 100 milliliter, een kleine versie van de grote tanks die worden gebruikt voor industriële productie. Ze kweekten de cellen gedurende 25 dagen, een periode die lang genoeg is om te zien of de bescherming standhoudt. De resultaten waren opmerkelijk. De niet-ingekapselde cellen, die vrij rondzweefden, groeiden uit tot enorme, gefuseerde klonten en leden aanzienlijk celverlies, waarbij slechts ongeveer 60 procent van de oorspronkelijke cellen overbleef. In contrast hiermee bleven de ingekapselde cellen duidelijke, uniforme clusters en overleefde 91 procent van hen de verlengde cultuurperiode. De beschermende schelpen hielden de cellen er effectief van weer om aan elkaar te plakken en beschermden hen tegen de fysieke stress van de roerbeweging. Dit bewees dat de methode kon worden opgeschaald zonder de kostbare cellen die nodig zijn voor therapie te verliezen.

Om te zien of deze cellen daadwerkelijk konden werken in een levend lichaam, transplanteerden de onderzoekers de ingekapselde clusters in muizen die genetisch gemodificeerd waren om een immuunsysteem te missen, wat ervoor zorgde dat de cellen niet zouden worden aangevallen. De muizen ontvingen de cellen rechtstreeks in hun buikholte, een gebruikelijke locatie voor dergelijke studies. De resultaten toonden aan dat de cellen bijna onmiddellijk begonnen te werken. Binnen een week begonnen de muizen menselijk C-peptide te produceren, een marker die aangeeft dat de getransplanteerde cellen succesvol insuline aan het maken waren. Gedurende de volgende 98 dagen bleven de cellen functioneren, waarbij ze reageerden op maaltijden door insuline vrij te geven en te helpen bij het reguleren van de bloedsuikerspiegels. Toen de onderzoekers de cellen na drie maanden onderzochten, vonden ze ze gezond, levensvatbaar en nog steeds in staat om insuline te produceren, zonder tekenen van littekenweefsel of immuunaanval die dergelijke transplantaties vaak ruïneert.

Deze studie vormt een cruciale schakel tussen de laboratoriumcreatie van stamceltherapieën en hun potentieel voor gebruik in de echte wereld. Door te bewijzen dat deze cellen in grote hoeveelheden kunnen worden gekweekt, beschermd kunnen worden tegen schade en succesvol kunnen worden getransplanteerd zonder onmiddellijke immuunafstoting, hebben de onderzoekers twee van de grootste hindernissen in het vakgebied aangepakt. De beschreven methode is relatief eenvoudig en vereist geen complexe, gespecialiseerde apparatuur, wat het een praktische optie maakt voor toekomstige productie. Hoewel de cellen niet zoveel insuline produceerden als die onder de niercapsule — een standaard, zeer doorbloede locatie die als vergelijking werd gebruikt — is hun vermogen om drie maanden in de buikholte te functioneren een grote stap voorwaarts. Het werk suggereert dat met verdere verfijning deze aanpak kan leiden tot een betrouwbare, schaalbare manier om de miljoenen cellen te produceren die nodig zijn om diabetes te behandelen, wat een potentieel toekomstperspectief biedt waarin patiënten niet langer afhankelijk zijn van dagelijkse injecties.