Táto otázka nemá ešte bohužiaľ jednoznačnú odpoveď. Cieľom tohto článku je vysvetliť čitateľom časopisu Diabetik aká je v súčasnosti situácia vo výskume tejto témy vo svete, úlohy Ústavu polymérov SAV a tiež ozrejmiť, v čom spočíva náročnosť riešenia a prečo ešte toto riešenie zatiaľ nie je k dispozícii diabetickým pacientom.
Enkapsulácia pankreatických ostrovčekov
Tému enkapsulácie pankreatických ostrovčekov sme dali do pozornosti slovenskej verejnosti pred zhruba šiestimi rokmi prostredníctvom rôznych médií ako aj založením neinvestičného fondu Cukrovka n.f. (www.cukrovkanf.sk; na tejto webstránke poskytujeme základné informácie o našej práci a čo sa deje vo svete v téme transplantácie enkapsulovaných ostrovčekov). Bolo to následne po niekoľkoročnej práci iniciovanej na tejto téme na Slovensku na Ústave polymérov SAV približne od roku 2002.
Naša práca a možnosť kontroly hladinu cukru takýmto spôsobom sa dostali do povedomia tých, ktorí sledujú všetky nové správy ohľadne nových technológií pre zlepšenie kontroly hladiny cukru. O princípe využitia enkapsulovaných ostrovčekov pre liečbu cukrovky som písal čitateľom časopisu Diabetik už v č. 1-2/2012). Tím Ústavu polymérov SAV stále intenzívne pracuje na tomto výskume v spolupráci s významnými svetovými pracoviskami, zaoberajúcimi sa touto problematikou.
Liečba pankreatickými ostrovčekmi
Princíp kontroly hladiny cukru v krvi pankreatickými ostrovčekmi bol formulovaný pred štyridsiatimi rokmi. Tento princíp spočíva v transplantácii funkčných pankreatických ostrovčekov diabetickému pacientovi s cukrovkou I. typu, pričom transplantované ostrovčeky kontinuálne kontrolujú hladinu cukru v krvi ako zdravý pankreas.
Tieto ostrovčeky musia byť chránené pred rozpoznaním a zničením imunitným systémom. Prvým spôsobom ochrany pred imunitným systémom sú imunosupresíva podobne ako pri transplantácii rôznych telesných orgánov. Toto riešenie je v súčasnosti klinicky testované. Transplantácia ľudských pankreatických ostrovčekov do pečene sa úspešne robí od r. 2000, kedy sa zaviedol tzv. Edmonton protokol v Kanade.
Fungovanie ostrovčekov je v priemere 3 roky a kontrola hladiny cukru sa dosahuje u 44 % diabetických pacientov. Niektoré tímy deklarujú pacientov, u ktorých sa dosahuje kontrola hladiny cukru po dobu viac ako 5 rokov. Transplantované ostrovčeky zabezpečujú kontinuálne normálnu hladinu cukru, spomaľujú, zastavujú a dokonca upravujú príznaky sekundárnych komplikácií vznikajúcich pri cukrovke. V posledných rokoch sú klinické výsledky z transplantácie ostrovčekov porovnateľné s transplantáciou pankreasu ako celého orgánu. Tieto výsledky jednoznačne hovoria o tom, že kontrola hladiny cukru transplantovanými ostrovčekmi je riešením v liečbe cukrovky.
Boj s imunitou
Problémom pri Edmonton protokole sú imunosupresíva, ktorých vedľajšie účinky sú nežiaduce a preto sa hľadajú spôsoby ako sa im vyhnúť. V súčasnosti základným princípom pre imunitnú ochranu transplantovaných ostrovčekov je ich enkapsulácia v polopriepustnej membráne. Membrána prepúšťa inzulín, glukózu, živiny a kyslík a zabraňuje prestupu imunitného systému. Enkapsulované ostrovčeky sú následne schopné dlhodobo kontrolovať hladinu cukru ako ostrovčeky v zdravom pankrease bez potreby podávať imunosupresíva.
Aj keď princíp je priamočiary a svojim spôsobom jednoduchý, nájdenie riešenia sa ukázalo byť problematické. Zatiaľ čo klinické testy s neenkapsulovanými ostrovčekmi viedli preukázateľne k transplantáciám s dlhodobou kontrolou hladiny cukru, do dnešného dňa sa napriek niekoľkým desiatkam klinických testov dňa takýto pozitívny výsledok nedosiahol s enkapsulovanými ostrovčekmi.
Enkapsulačné konzorcium JDRF
Juvenile Diabetes Research Foundation, JDRF (pozn. v slovenskom preklade Nadácia pre výskum cukrovky mladistvých) je nadácia, ktorá v súčasnosti je vedúcou organizáciou vo výskume venovanom liečbe cukrovky I. typu (www.jdrf.org). V r. 2013 bolo založené Enkapsulačné konzorcium JDRF, v ktorom sa stretli akademické a firemné tímy pre urýchlenie riešení spoluprácou a výmenou poznatkov medzi rôznymi expertnými skupinami pracujúcimi v téme enkapsulácie pankreatických ostrovčekov Toto konzorcium je zložené z bioinžinierov chemikov, imunológov, chirurgov atď., ktorí boli úspešní v grantových aplikáciách a získali projekt pre vstup do Enkapsulačného konzorcia JDRF.
Výskum sa zameriava najmä na oblasti:
(1) zdroj buniek produkujúcich inzulín, ich životaschopnosť a funkčnosť po enkapsulácii a transplantácii, (2) materiály pre enkapsuláciu buniek produkujúcich inzulín v tzv. mikrokapsulách,
(3) materiály pre enkapsuláciu buniek produkujúcich inzulín v tzv. makrokapsulách.
Pozn. Na stránke JDRF je prezentované krátke video https://vimeo.com/119461433, ktoré špecifikuje princípy mikro- a makroenkapsulácie pankreatických ostrovčekov.
Zdroj buniek produkujúcich inzulín
Od začiatkov výskumu bolo zrejmé, že pankreatické ostrovčeky izolované z pankreasov ľudských darcov nemôžu byť postačujúce vzhľadom na počet diabetických pacientov mnohonásobne prevyšujúcich počet darcov. Preto sa kontinuálne veľa pozornosti venuje definovaniu nových zdrojov buniek. Progres v bunkovej biológii posledných rokoch viedol ku protokolom, v ktorých z rôznych kmeňových buniek sa získali bunky produkujúce inzulín. Je veľa pracovísk vo svete, ktoré sa tejto problematike venujú.
V januári 2016 bol v spolupráci MIT, Harward, UIC Chicago a iných významných pracovísk publikovaný článok v Nature Medicine, v ktorom sa opisuje využitie enkapsulovaných beta buniek odvodených z embrionálnych ľudských kmeňových buniek. Jedná sa o zásadný poznatok, pretože vzniká možnosť mať k dispozícii neobmedzený počet buniek a tiež sa potvrdila možnosť kontrolovať nimi hladinu cukru zatiaľ u pokusných zvierat po ich enkapsulácii do polymérnych mikrokapsúl.
Ako ďalší zdroj buniek sa už niekoľko rokov testujú ostrovčeky izolované z pankreasu prasiat, pričom táto stratégia si získala akceptovateľnosť aj pre klinické testy (Diabecell produkt firmy Diatranz Otsuka Ltd, http://www.dolglobal.com). Celkovo sa zdá, že práca venovaná identifikácii zdroja buniek produkujúcich inzulín na základe koncentrácie glukózy dosiahla významný pokrok. Znovu je potrebné zdôrazniť, že kontrola hladiny cukru beta bunkami odvodenými z kmeňových buniek vyžaduje ochranu pred imunitným systémom enkapsuláciou.
Imunitná ochrana v mikrokapsulách
V sférických mikrokapsulách o rozmere 100-ky mikrometrov až millimeter je enkapsulovaných niekoľko pankreatických ostrovčekov. Polymérne mikrokapsuly boli prvým materiálom, navrhnutým pre imunitnú ochranu transpantovaných ostrovčekov a záujem o ne je aj v súčasnosti intenzívny. Mimo iných článkov to dokumentujú články publikované v nedávnej dobe v časopise Nature jednak z pohľadu nových syntetických možností pre získanie chemicky modifikovaných gélujúcich materiálov vykazujúcich požadovanú biokompatibilitu po implantácii, a jednak z pohľadu geometrie mikrokapsúl, kde sa získali experimentálne dôkazy, že väčšia veľkost mikrokapsúl poskytuje vyššiu mieru biokompatibility.
Dosiahnutie požadovanej biokompatibility, t.j. miery tolerovania mikrokapsule ako biomateriálu v kontakte s tkanivom, je prvoradým problémom, na ktorý sa sústreďuje súčasný výskum. V uplynulých rokoch boli robené klinické transplantácie s enkapsulovanými ostrovčekmi do diabetických pacientov s cukrovkou typu I na pracoviskách v Perugii v Taliansku (Prof. R. Calafiore v r. 2006 a 2011), v Sydney v Austrálii (Prof. B. Tuch v r. 2009), v Bruseli v Belgicku (Prof. D. Pipeleers v r. 2013) s ľudskými ostrovčekmi a v Aucklande na Novom Zélande (Living Cell Technology Ltd, v súčasnosti Diatranz Otsuka Ltd, s produktom Diabecell od r. 2010) s prasačími ostrovčekmi.
Tieto klinické testy ani v jednom prípade neviedli ku kontrole hladiny cukru, v niektorých prípadoch sa dosiahlo redukovanie hypoglykemických stavov. Celkovo tieto klinické testy sa pokladajú za bezpečné pre pacienta z pohľadu transplantácie, avšak príčina prečo ekapsulované ostrovčeky neposkytli reguláciu hladiny cukru ostáva otázna. V súčasnosti popri biokompatibilite enkapsulačného materiálu a jeho fyzikálno-chemických charakteristikách sa testujú otázky prežívania a fungovania enkapsulovaných ostrovčekov. Je dôležité, aby ostrovčeky boli izolované vo vysokej kvalite a po enkapsulácii a transplantácii mali okrem živín aj dostatočný prísun kyslíka a zabránilo sa ich postupnej strate funkčnosti a odumieraniu, ktorého výsledkom je produkcia nízkomolekulových látok z ostrovčekov, ktoré stimulujú imunitnú odpoveď.
Imunitná ochrana pankreatických ostrovčekov v makrokapsulách
Makrokapsuly sú materiály prevažne z polymérov, ale môžu byť aj z anorganických materiálov na báze hliníka alebo kremíka, ktoré sú dizajnované tak, aby do ich objemu mohol byť enkapsulovaný vysoký počet ostrovčekov postačujúci pre kontrolu hladinu cukru. Makrokapsuly sú zvyčajne transplantované podkožne a majú niekoľko výhod oproti mikrokapsulám. Tieto výhody zahrňujú možnosť explantácie celej mikrokapsuly alebo ostrovčekov produkujúcich inzulín, čím sa otvára možnosť bezpečnej transplantácie aj buniek odvodených z kmeňových buniek a buniek izolovaných zo zvierat. Ďalšou výhodou je možnosť vaskularizácie povrchu makrokapsúl pre zlepšenú difúziu glukózy, živín a kyslíka ku enkapsulovaným ostrovčekom. Nevýhodami sú zabezpečenie prežívania a funkčnosti veľkého počtu ostrovčekov umiestnených v spoločnom priestore, objem pre potrebný počet ostrovčekov a povrch medzi makrokapsulou a organizmom pre produkciu a resp. difúziu potrebného množstva inzulínu a tiež imunitná ochranu ostrovčekov v makrokapsulách. V súčasnosti je niekoľko prístupov ku makrokapsulám, ktoré sa klinicky testujú. Makrokapsuly ßAir spoločnosti Beta-O2 z Izreala (www.beta-o2.com) majú v sebe inkorporovaný zásobník kyslíka, ktorý je kontinuálne dopĺňaný raz za 24 hodín. Táto makrokapsula demonštruje dôležitosť konceptu kontroly hladiny cukru enkapsulovanými ostrovčekmi a nutnosť prítomnosti kyslíka pre dlhodobé prežívanie a funkčnosť ostrovčekov, čo bolo ukázané v niekoľkomesačnom klinickom teste.
Ďalšie známe v súčasnosti klinicky testované polymérne makrokapsuly sú najmä Encaptra® firmou Viacyte (www.viacyte.com) a Sernova's Cell Pouch System™ (www.sernova.com). Líšia sa z pohľadu materiálov, spôsobu implantácie a použitého zdroja buniek. V roku 2015 bol v Diabetes Research Center v Miami klinicky testovaný princíp BioHub, v ktorom sa využil biodegradovateľný prírodný materiál pre zachytenie ostrovčekov na omente pacienta (http://www.diabetesresearch.org/biohub). V budúcnosti sa zvažuje kombinácia princípu makrokapsúl s mikroenkapsuláciou prípadne nanoenkapsuláciou (t.j. obalenie individuálnych ostrovčekou polymérnou membránou) pre dosiahnutie zlepšenej imunitnej ochrany ostrovčekov enkapsulovaných v makrokapsulách.
Pozícia Ústavu polymérov SAV
Vedecký tím Oddelenia pre vývoj biomateriálov Ústavu polymérov SAV má svoje významné postavenie vo svete enkapsulácie pankreatických ostrovčekov vďaka expertíze v polymérnej chémii cielenej na vývoj polymérnych mikrokapsúl a proces enkapsulácie pankreatických ostrovčekov. Ako člen konzorcia Chicago Diabetes Project, ktoré vzniklo pred zhruba 10 rokmi pod vedením Prof. J. Oberholzera z UIC Chicago a svojim princípom bolo predchodcom súčasného Enkapsulačného konzorcia JDRF, sme získali nádejné výsledky s opicami a s mikrokapsulami produkovanými na našom ústave. Následne po vzniku Enkapsulačného konzorcia JDRF sme podali projekt s cieľom ukázať na tomto pred-klinickom modeli vhodnosť materiálu z pohľadu biokomaptibility v tomto pred-klinickom modeli pre imunitnú ochranu ostrovčekov izolovaných z pankreasu opíc, čo predstavuje model pre enkapsulované ľudských ostrovčekov transplantovaných do ľudských pacientov.
Tento projekt sa nám podarilo získať a hlavné aktivity medzi UIC Chicago, Ústavom polymérov SAV a NTNU Trondheim v rámci Enkapsulačného konzorcia JDRF sa rozbehli v roku 2015. Prvé transplantácie do opíc viedli ku výsledkom, ktoré poukázali na nepostačujúcu stabilitu používaných mikrokapsúl a nutnosť zvýšiť kvalitu dovtedy pripravovaných mikrokapsúl. V priebehu posledných mesiacov sme pracovali na optimalizácii receptúry a procesu enkapsulácie s tým, že sme detailnejšie pochopili zložitý proces prípravy mikrokapsúl, vyvinuli sme niekoľko metodík pre systematickú charakterizáciu pripravených mikrokapsúl a tiež sme optimalizovali proces enkapsulácie. Táto fáza projektu nám opäť demonštrovala, že sa jedná o veľmi zložitý vedecký problém vyžadujúci získavanie vedomostí a systematický vedecký prístup. V súčasnosti sme blízko k reštartovaniu experimentov na primátoch. V r. 2016 plánujeme ukázať životaschopnosť a funkčnosť enkapsulovaných transplantovaných ostrovčekov v tomto predklinickom modeli.
Súčasťou našich aktivít v rámci Enkapsulačného konzorcia JDRF je poskytnutie našej expertízy pre ďalších členov konzorcia z pohľadu využitia a charakterizácie polymérnych materiálov, mikrokapsúl a procesu enkapsulácie. Tieto aktivity poukazujú na dôležitú pozíciu Ústavu polymérov SAV v téme liečby cukrovky enkapsulovanými ostrovčekmi.
Ústav polymérov SAV svojou účasťou v Enkapsulačnom konzorciu SAV a v dlhodobej komunikácii s významnými pracoviskami vo svete plní úlohu akéhosi mostu medzi Slovenskom a súčasnými svetovými trendami v tejto oblasti. Využívanie globálneho poznania a všetkých potrebných expertíz je nevyhnutným predpokladom pre vyriešenie súčasných otázok a posunutie sa k úspešným klinickým testom, ktorých výsledkom bude kontrola hladiny cukru u diabetických pacientov enkapsulovanými ostrovčekmi.