Inkapsling , eller inkapsling (även mikroinkapsling / mikroinkapsling ) av celler - en teknologi som består i immobilisering av livsdugliga celler i ett polymert semipermeabelt membran eller matris som tillåter dubbelriktad diffusion av syremolekyler, näringsämnen, tillväxtfaktorer och andra nödvändiga för cellulär metabolism, och extern spridning av produkters liv och terapeutiska proteiner, samtidigt som de förhindrar deras kontakt med immunceller och stora proteiner som kan initiera ett immunsvar och förstöra dessa celler.
Huvudmålet med utvecklingen inom området för cellinkapsling är att övervinna transplantatavstötning inom vävnadsteknik och därigenom minska behovet av långvarig användning av immunsuppressiva medel efter organ- och vävnadstransplantation.
De första framgångsrika experimenten i riktning mot cellinkapsling i polymermembran publicerades 1934 av Vincenzo Bisceglie [1] . Han demonstrerade att tumörceller i en polymerstruktur transplanterade in i bukhålan på en gris förblir livskraftiga under en lång period utan att stötas bort av immunsystemet .
Trettio år senare, 1964, föreslog Thomas Chang idén att inkapsla celler i ultratunna membran och myntade termen "konstgjorda celler" för att definiera begreppet bioinkapsling. Han antog att dessa droppkapslar inte bara skulle skydda latenta celler från immunavstötning, utan också ge ett högt förhållande mellan yta och volym, vilket skulle öka tillförseln av syre och näringsämnen. Tjugo år senare omsattes detta tillvägagångssätt framgångsrikt i små djurmodeller när alginat-polylysin-alginat (APA) mikrokapslar utvecklades för transplanterade öceller till diabetiska råttor . Studien visade att cellerna förblev livskraftiga och kontrollerade glukosnivåerna i flera veckor. År 1998 började försök på människor: inkapslade cytokrom P450 -producerande celler användes framgångsrikt vid inoperabel pankreascancer. Patienternas livsförlängning var ungefär dubbelt så stor som tidigare kända liknande fall.
Inkapslade celler ger forskare och läkare ett antal ytterligare alternativ. För det första kan sådana celler frigöra läkemedel under lång tid på platsen för deras implantation. Sådana läkemedelstillförselmetoder är mer exakta och ekonomiska än traditionella. För det andra blir det möjligt att använda djur och genetiskt modifierade celler vid brist på donatorer. För det tredje kan konstgjorda celler administreras till olika patienter oavsett deras leukocytantigen, vilket minskar kostnaden för behandling.
Potentialen med att använda mikroinkapslade celler i framgångsrika kliniska prövningar kan realiseras om de krav som uppstod under utvecklingsprocessen uppfylls, såsom användningen av en lämplig biokompatibel polymer som bildar ett mekaniskt och kemiskt stabilt semipermeabelt membran; produktion av mikrokapslar av samma storlek; användningen av lämpliga immunkompatibla polykatjoner; val av lämplig celltyp.
BiomaterialAnvändningen av det bästa biomaterialet beroende på applikationen är avgörande vid utvecklingen av läkemedelsleveranssystem och vävnadsteknik. Alginat används mycket på grund av dess tillgänglighet och låga kostnad, men andra material som cellulosa, kollagensulfat, kitosan, gelatin och agaros har också använts.
AlginateFlera grupper har studerat flera naturliga och syntetiska polymerer i detalj med målet att utveckla det mest lämpliga biomaterialet för mikroinkapslingsceller. Naturliga alginatpolymerer anses vara de mest lämpliga materialen för mikroinkapsling på grund av deras tillgänglighet, utmärkta biokompatibilitet och lätta biologiska nedbrytbarhet.
Alginat är inte utan nackdelar. Vissa forskare tror att högt mannuronsyraalginat kan orsaka en inflammatorisk respons och onormal celltillväxt. Andra har visat att högt glukuronsyraalginat leder till ännu mer aktiv celltillväxt och ett inflammatoriskt svar in vivo. Även ultrarena alginater kan innehålla endotoxiner och polyfenoler , vilket kan äventyra biokompatibiliteten hos de resulterande inkapslade cellerna. Rening av alginater minskar innehållet av endotoxiner och polyfenoler, men förändrar biomaterialets egenskaper.
Modifiering och funktionalisering av alginatForskare har också kunnat utveckla omformade alginatmikrokapslar med ökad biokompatibilitet och hög resistens mot osmotisk svullnad. Ett annat tillvägagångssätt för att öka biokompatibiliteten hos ett biomaterialmembran är att modifiera kapselytan med användning av peptid- och proteinmolekyler, som i sin tur kontrollerar proliferationen och differentieringshastigheten för inkapslade celler. En grupp som aktivt arbetar för att koppla aminosyrasekvensen Arg-Gly-Asp (RGD) till alginathydrogeler har visat att cellbeteende kan styras av densitets-RGD i kombination med en alginatgel. Alginatmikropartiklar laddade med myoblastceller och funktionaliserad RGD gjorde det möjligt att kontrollera tillväxten och differentieringen av laddade celler. En annan viktig faktor som styr användningen av cellulära mikrokapslar i klinisk praxis är utvecklingen av en lämplig immunkompatibel polykatjon för att belägga de annars mycket porösa alginatpärlorna och därmed ge stabilitet och immunskydd till systemet. Poly-L-lysin är den mest använda polykatjonen, men dess låga biokompatibilitet begränsar den framgångsrika kliniska användningen av dessa poly-L-lysinformulerade mikrokapslar som attraherar inflammatoriska celler och därigenom inducerar nekros av laddade celler. Studier har också visat att mikrokapslar av alginat-P-L-L-alginat (APA) visade låg mekanisk stabilitet och kort livslängd. Således har flera forskargrupper letat efter alternativ till P-L-L och har visat lovande resultat med poly-L-ornitin och poly(metylenhydroklorid-co-guanidin) vid tillverkning av starka mikrokapslar med hög och kontrollerad mekanisk styrka för cellinkapsling. Flera grupper har också utforskat användningen av kitosan, som är en naturligt förekommande polykatjon, som en potentiell ersättning för P-L-L vid tillverkning av alginat-kitosan (A X) mikrokapslar för celltillförselprogram. Studier har dock också visat att stabiliteten hos alginat-kitosan-membran återigen är begränsad, och en grupp visade att modifiering av alginat-kitosan-mikrokapslar med genipin (naturligtvis en iridoidglykosid från gardeniafrukt), vilket bildar genipin-tvärbundna alginat-kitosan-mikrokapslar (GACh), gör det möjligt att öka stabiliteten hos cellulärt laddade mikrokapslar.
GelatinGelatin erhålls genom att denaturera kollagen . Med många av de önskade egenskaperna såsom biologisk nedbrytbarhet, biokompatibilitet, icke-immunogenicitet under fysiologiska förhållanden och enkel bearbetning, är denna polymer ett bra val för vävnadsteknik. Används vid vävnadsteknik av hud, ben och brosk.
ChitosanKitosan är en polysackarid som består av slumpmässigt fördelade monomera enheter av D-glukosamin och N-acetyl-D-glukosamin förbundna med β-(1-4)-bindningar. Erhållen från N-deacetylering och partiell hydrolys av kitin, studeras det aktivt för problemen med läkemedelsleveranssystem (inklusive riktad terapi), fyller utrymmet för implantat, täckning och förband. Nackdelen med denna polymer är dess svaga mekaniska egenskaper, men den används framgångsrikt för cellinkapsling i kombination med andra polymerer, i synnerhet kollagen.
AgaroseAgaros är en polysackarid som härrör från tång som används för cell nanoinkapsling och agarossuspensionsceller, som kan förändras för att bilda mikropärlor genom att sänka temperaturen under beredningen. Emellertid är en av nackdelarna med mikropärlor framställda på detta sätt möjligheten till cellulär åtkomst genom den polymera matrisväggen efter kapselbildning.
CellulosasulfatCellulosasulfat härrör från bomull och kan, när det bearbetas på rätt sätt, användas som en biokompatibel bas i vilken celler immobiliseras. När en suspension av celler i en polyanjonisk cellulosasulfatlösning sätts till en lösning av en annan polykatjonisk polymer (t.ex. pDADMAC), bildas ett semipermeabelt membran runt de suspenderade cellerna som ett resultat av gelning mellan de två polyjonerna. Både däggdjursceller och bakterier förblir livskraftiga under sådana förhållanden och fortsätter att replikera inuti membrankapseln. Sålunda, till skillnad från vissa andra inkapslingsmaterial, kan detta tillvägagångssätt användas för att odla celler genom deras verkan som en minibioreaktor. Materialets biokompatibla natur har visats i studier med cellfyllda implantatkapslar såväl som isolerade materialkapslar.[ vad? ] . Cellulosasulfatkapslar har framgångsrikt testats i prekliniska och kliniska prövningar på både djur och människor, främst för tumörterapi, men de fortsätter att studeras för andra tillämpningar.
Användningen av ett idealiskt högkvalitativt biomaterial med inneboende biokompatibilitetsegenskaper är den viktigaste faktorn som avgör den långsiktiga effektiviteten av denna teknologi. Det ideala biomaterialet för cellinkapsling bör vara ett som är helt biokompatibelt och inte framkallar ett immunsvar i värden och inte stör cellulär homeostas , för att säkerställa hög cellviabilitet. En av de stora begränsningarna har dock varit oförmågan att reproducera olika biomaterial och kraven på att få en bättre förståelse för biomaterialens kemi och biofunktionalitet och mikrokapselsystemet. Flera studier har visat att ytmodifiering av dessa celler som innehåller mikropartiklar tillåter kontroll av tillväxt och cellulär differentiering av inkapslade celler. En studie har föreslagit användningen av zetapotential, som mäter den elektriska laddningen av en mikrokapsel, som ett sätt att förutsäga interfacial interaktion mellan mikrokapseln och omgivande vävnad och i sin tur biokompatibiliteten hos leveranssystemet.