Para los más de 700 millones de personas en todo el mundo que viven con diabetes tipo 1, lograr que el sistema inmunitario del huésped tolere la presencia de células secretoras de insulina implantadas podría cambiarles la vida.
El bioingeniero de la Universidad de Rice, Omid Veiseh, y sus colaboradores identificaron nuevas formulaciones de biomateriales que podrían ayudar a pasar página en el tratamiento de la diabetes tipo 1, abriendo la puerta a una forma más sostenible, a largo plazo y autorregulada de manejar la enfermedad.
Para ello, desarrollaron una nueva técnica de detección que consiste en etiquetar cada formulación de biomaterial en una biblioteca de cientos con un «código de barras» único antes de implantarlos en sujetos vivos.
Según el estudio en Naturaleza Ingeniería Biomédica, utilizando una de las formulaciones de alginato para encapsular las células de los islotes secretores de insulina humana, proporcionó un control a largo plazo del nivel de azúcar en la sangre en ratones diabéticos. Los catéteres revestidos con otros dos materiales de alto rendimiento no se obstruyeron.
«Este trabajo fue motivado por una gran necesidad insatisfecha», dijo Veiseh, profesor asistente de bioingeniería de Rice y académico del Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas. «En los pacientes con diabetes tipo 1, el sistema inmunitario del cuerpo ataca las células productoras de insulina del páncreas. A medida que esas células mueren, el paciente pierde la capacidad de regular la glucosa en sangre».
Durante décadas, los científicos trabajaron para lograr lo que Veiseh llamó un «objetivo del ‘santo grial’ de albergar células de los islotes dentro de una matriz porosa hecha de un material protector que permitiría a las células acceder al oxígeno y los nutrientes sin ser golpeadas por el sistema inmunológico del huésped».
Sin embargo, los materiales con una biocompatibilidad óptima resultaron muy difíciles de encontrar, debido en parte a las limitaciones de selección. Por un lado, la respuesta del sistema inmunitario a un determinado biomaterial implantado solo puede evaluarse en un huésped vivo.
«El problema es que la respuesta inmune debe investigarse dentro del cuerpo de estos ratones diabéticos, no en un tubo de ensayo», dijo Boram Kim, estudiante graduado en el laboratorio de Veiseh y coautor principal del estudio. «Eso significa que si desea evaluar estos cientos de moléculas de alginato, entonces necesita tener cientos de sujetos de prueba con animales. Nuestra idea era detectar cientos de biomateriales al mismo tiempo, en el mismo sujeto de prueba».
Por otro lado, las diferentes formulaciones de biomateriales tienen el mismo aspecto, lo que hace imposible identificar las de alto rendimiento en ausencia de algún rasgo revelador. Esto hizo que probar más de un biomaterial por huésped fuera inviable.
«Son materiales diferentes pero se ven iguales», dijo Veiseh. «Y una vez que se implantan en el cuerpo de un sujeto de prueba y luego se extraen, no podemos distinguir entre los materiales y no podríamos identificar qué formulación de material funcionó mejor».
Para superar estas limitaciones, Veiseh y sus colaboradores idearon una forma de etiquetar cada formulación de alginato con un «código de barras» único que les permitía identificar las que funcionaban mejor.
«Emparejamos cada biomaterial modificado con células endoteliales de vena umbilical humana (HUVEC) de un donante diferente», dijo Kim.
«Las células HUVEC, debido a que provienen de donantes únicos, actúan como un código de barras que nos permite saber qué material se usó inicialmente», agregó Veiseh. «Los ganadores son los que tienen células vivas. Una vez que los encontramos, secuenciamos el genoma de esas células y descubrimos qué material se combinó con él. Así es como descubrimos los grandes éxitos».
Se están realizando ensayos para el uso de células de los islotes derivadas de células madre en pacientes diabéticos. Sin embargo, los tratamientos actuales de los islotes requieren inmunosupresión, lo que los convierte en una forma difícil de tratar la diabetes tipo 1.
«Actualmente, para usar células de islotes implantadas en pacientes diabéticos, se debe suprimir todo el sistema inmunológico, como si estuviera tratando de hacer un trasplante de órgano», dijo Veiseh. «Eso viene con muchas complicaciones para el paciente.
«Pueden desarrollar cáncer, no pueden combatir las infecciones, por lo que, para la gran mayoría de los pacientes, es mejor hacer la terapia de insulina donde se inyectan ellos mismos. Con esta estrategia de encapsulación de biomateriales, no se necesita inmunosupresión».
La colocación de células HUVEC reales dentro de las cápsulas de biomaterial aumentó la probabilidad de que el sistema inmunitario del huésped detectara una presencia extraña. Esto hace que el experimento sea más robusto que simplemente probar la respuesta inmune a los biomateriales solos.
«Queríamos probar una biblioteca de estos materiales, con la presión de selección de tener células dentro de las perlas que hace que sea más difícil que el sistema inmunitario no note el material», dijo Veiseh. «Todos los fabricantes de células de los islotes están muy interesados en poder deshacerse de la inmunosupresión y, en su lugar, utilizar estas matrices de hidrogel de alginato para proteger las células implantadas».
El nuevo enfoque de «código de barras» de alto rendimiento se puede implementar para detectar otras aplicaciones médicas utilizando menos sujetos de prueba vivos.
«Eso en realidad alimenta muchos otros proyectos en mi laboratorio donde estamos haciendo producción biológica a partir de células para otras indicaciones de enfermedades», dijo Veiseh. «Las mismas modificaciones se pueden aplicar a todos los tipos de materiales que ingresan al cuerpo. Esto no se limita solo al trasplante de células. La tecnología que desarrollamos se puede combinar con muchos conceptos de dispositivos diferentes.
«Por ejemplo, algunos pacientes diabéticos usan sistemas de bomba automatizados para autoadministrarse insulina. Los catéteres de esos sistemas de bomba deben reemplazarse cada pocos días porque se obstruyen. Pudimos demostrar que recubrir los catéteres con estos nuevos materiales evitó la obstrucción. .»
«Con esta nueva tecnología de código de barras basada en células, la investigación de biomateriales acaba de recibir un impulso sin precedentes que acelerará la traducción a productos clínicamente aplicables y los hará más asequibles», dijo el Dr. José Oberholzer, cirujano de trasplantes y bioingeniero de la Universidad de Virginia. .
«Este es un verdadero cambio de paradigma. Con este método, ahora podemos examinar cientos de biomateriales a la vez y seleccionar aquellos que el cuerpo humano no rechaza. Podemos proteger los injertos celulares de los ataques del sistema inmunitario, sin necesidad de inmunosupresores». medicamentos», agregó Oberholzer.
El ex profesor de bioingeniería de Rice y actual director ejecutivo de NuProbe US, David Zhang, señaló que «la secuenciación de ADN de alto rendimiento ha revolucionado muchos campos biomédicos».
«Me complace trabajar con Omid para permitir el desarrollo de biomateriales mejorados utilizando la experiencia de mi equipo en secuenciación de ADN», agregó Zhang, quien fue co-investigador de la subvención. «Estos biomateriales mejorados pueden permitir que las terapias de células implantadas duraderas funcionen como fábricas de medicamentos vivientes y pueden tener un impacto disruptivo positivo en pacientes con una variedad de enfermedades crónicas».
Los Institutos Nacionales de Salud (R01 DK120459), JDRF (3-SRA-2021-1023-SB), la Fundación Nacional de Ciencias (CBET1626418), la Beca de la Academia de la Universidad Rice y la Autoridad de Equipos Compartidos de Rice apoyaron la investigación.