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

O diabetes tipo 1 é uma condição em que o sistema imunológico do corpo destrói erroneamente as células específicas no pâncreas que produzem insulina, um hormônio essencial para regular o açúcar no sangue. Sem essas células, as pessoas precisam depender de injeções diárias de insulina para sobreviver. Por décadas, cientistas buscaram uma maneira de substituir essas células perdidas, esperando restaurar a capacidade natural do corpo de gerenciar a glicose. Uma via promissora envolve a criação de novas células produtoras de insulina a partir de células-tronco, que são células imaturas capazes de se transformar em muitos tipos diferentes de tecido. No entanto, transformar essas células-tronco em aglomerados funcionais que se comportem como ilhotas pancreáticas naturais é apenas metade da batalha. Para serem úteis no tratamento de muitos pacientes, essas células precisam ser cultivadas em grandes quantidades, um processo que frequentemente as faz se agrupar em massas gigantescas e doentias ou ser danificadas pelo movimento necessário para mantê-las vivas em um laboratório. Além disso, uma vez cultivadas, essas células precisam de proteção contra o sistema imunológico do paciente para evitar a rejeição, um obstáculo que geralmente exige que os pacientes tomem medicação forte e vitalícia.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade McGill desenvolveu um novo método para resolver esses problemas simultaneamente. Eles criaram uma forma de cultivar ilhotas derivadas de células-tronco dentro de pequenas esferas protetoras feitas de uma substância natural chamada alginato, que é derivada de algas marinhas. Ao colocar as células em desenvolvimento dentro dessas esferas antes que estejam totalmente maduras, os pesquisadores descobriram que podiam cultivá-las em grandes tanques agitados sem que as células grudassem umas nas outras ou morressem devido ao estresse mecânico do movimento. Mais importante ainda, essas esferas protetoras permitiram que as células sobrevivessem e funcionassem por meses após serem transplantadas para camundongos, sem a necessidade de os animais tomarem medicamentos imunossupressores. Este trabalho sugere um caminho para um processo de fabricação escalável que poderia, eventualmente, produzir células suficientes para tratar muitas pessoas com diabetes, mantendo as células seguras contra as defesas do corpo.

A jornada começou com um desafio específico: como cultivar ilhotas derivadas de células-tronco em grande número. No laboratório, essas células são tipicamente cultivadas em suspensão líquida, onde são constantemente movimentadas para garantir que recebam oxigênio e nutrientes suficientes. Embora isso funcione para pequenos lotes, aumentar a escala para os volumes necessários para a terapia humana faz com que as células colidam e se fundam em aglomerações gigantes e irregulares. Esses aglomerados tornam-se grandes demais para que os nutrientes alcancem o centro, levando à morte celular. Além disso, as forças físicas da agitação podem danificar as células delicadas. Os pesquisadores hipotetizaram que, se pudessem envolver cada pequeno aglomerado de células em uma casca protetora logo no início do processo, poderiam evitar que elas se fundissem e protegê-las das forças severas dos biorreatores de grande escala.

Para testar isso, a equipe primeiro cultivou células-tronco humanas em aglomerados que estavam começando a parecer ilhotas pancreáticas. Em seguida, utilizaram um processo envolvendo óleo e água para criar milhares de minúsculas gotas, cada uma contendo um pequeno grupo de células suspensas em uma solução líquida de alginato. Ao adicionar um gatilho químico específico, transformaram essas gotas líquidas em contas sólidas, semelhantes a géis. Eles experimentaram diferentes forças do gel de alginato, variando de macio a bastante rígido, para ver como o ambiente afetava as células. Descobberam que as células sobreviviam bem em todas as condições, mas a rigidez do gel influenciava os tipos de células que se desenvolviam. Nos géis mais rígidos, as células eram mais propensas a se tornarem células alfa, que produzem um hormônio chamado glucagon, enquanto os ambientes mais macios e os grupos não encapsulados produziam mais células beta, o tipo específico necessário para produzir insulina. Apesar dessas diferenças, as células em todos os grupos permaneceram capazes de detectar níveis de açúcar e liberar insulina quando necessário.

O teste mais significativo ocorreu quando os pesquisadores moveram essas células encapsuladas para um biorreator de 100 mililitros, uma versão pequena dos tanques usados na fabricação industrial. Eles cultivaram as células por 25 dias, um período longo o suficiente para ver se a proteção se manteria. Os resultados foram impressionantes. As células não encapsuladas, deixadas para flutuar livremente, cresceram em aglomerados fundidos e massivos e sofreram uma perda celular significativa, com apenas cerca de 60 por cento das células originais restantes. Em contraste, as células encapsuladas permaneceram como aglomerados distintos e uniformes, e 91 por cento delas sobreviveram ao período de cultivo prolongado. As cascas protetoras impediram com sucesso que as células grudassem umas nas outras e as protegeram do estresse físico do movimento de agitação. Isso demonstrou que o método poderia ser escalado sem perder as preciosas células necessárias para a terapia.

Para ver se essas células poderiam realmente funcionar dentro de um corpo vivo, os pesquisadores transplantaram os aglomerados encapsulados em camundongos que foram geneticamente modificados para carecer de um sistema imunológico, garantindo que as células não fossem atacadas. Os camundongos receberam as células diretamente em sua cavidade abdominal, um local comum para tais estudos. Os resultados mostraram que as células começaram a trabalhar quase imediatamente. Em uma semana, os camundongos começaram a produzir C-peptídeo humano, um marcador que indica que as células transplantadas estavam produzindo insulina com sucesso. Ao longo dos próximos 98 dias, as células continuaram a funcionar, respondendo às refeições ao liberar insulina e ajudando a regular os níveis de açúcar no sangue. Quando os pesquisadores examinaram as células após três meses, encontraram-nas saudáveis, viáveis e ainda produzindo insulina, sem sinais de tecido cicatricial ou ataque imunológico que frequentemente arruína tais transplantes.

Este estudo fornece um elo crucial entre a criação laboratorial de terapias de células-tronco e seu potencial uso na medicina do mundo real. Ao provar que essas células podem ser cultivadas em grandes quantidades, protegidas de danos e transplantadas com sucesso sem rejeição imunológica imediata, os pesquisadores abordaram dois dos maiores obstáculos no campo. O método descrito é relativamente simples e não requer equipamentos especializados complexos, tornando-o uma opção prática para a fabricação futura. Embora as células não tenham produzido tanta insulina quanto aquelas colocadas sob a cápsula renal — um local altamente vascularizado usado para comparação —, sua capacidade de funcionar por três meses na cavidade abdominal é um grande passo à frente. O trabalho sugere que, com refinamento adicional, esta abordagem pode levar a uma forma confiável e escalável de produzir os milhões de células necessárias para tratar o diabetes, oferecendo um futuro potencial onde os pacientes não precisem mais depender de injeções diárias.