Сегодня, впервые в науке, исследователи из Института биологической инженерии Висса, Гарвардского университета Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS) и Гарвардская инициатива по стволовым клеткам (HSCI) демонстрируют технологию инкапсуляции единичных клеток, которая эффективно защищает трансплантированные МСК от клиренса и иммунной атаки и повышает эффективность трансплантации костного мозга у мышей. Работа опубликована в PNAS.
«Насколько нам известно, это первый пример одноклеточной инкапсуляции, используемой для улучшения клеточной терапии, которая становится все более распространенной в качестве лечения ряда заболеваний», – сказал первый автор Анджело Мао, доктор философии.D., бывший аспирант лаборатории преподавателя Wyss Core и руководитель платформы Wyss Immuno-Materials Platform Дэвид Муни, доктор философии.D. который сейчас работает постдоком у члена факультета Wyss Core Джеймса Коллинза, доктора философии.D. «И наши инкапсулированные клетки можно замораживать и оттаивать с минимальным влиянием на производительность клеток, что имеет решающее значение для больниц и других лечебных центров."
Этот прогресс основан на методе, ранее разработанном командой, который использует микрожидкостное устройство для покрытия отдельных живых клеток тонким слоем гидрогеля на основе альгината, создавая то, что они называют «микрогелями».«Процесс инкапсулирует клетки с эффективностью 90%, а полученные микрогели достаточно малы, чтобы их можно было вводить внутривенно, в отличие от объемных гидрогелей, созданных другими методами.
При инъекции мышам, инкапсулированные с помощью этого метода МСК оставались в легких животных в десять раз дольше, чем «голые» МСК, и оставались жизнеспособными до трех дней.
Поскольку большая часть клинической привлекательности МСК заключается в их секреции соединений, которые модулируют иммунную систему организма, исследователям необходимо было проверить, как инкапсуляция микрогелей влияет на способность МСК функционировать и противостоять иммунным атакам.
Они модифицировали свой исходный альгинатный микрогель, добавив другое соединение, которое перекрестно связывается с альгинатом и делает микрогель более жестким и более способным противостоять иммунной системе организма и механизмам очистки. Они также культивировали МСК после инкапсуляции, чтобы стимулировать их деление и производство большего количества клеток. Когда эти новые микрогели вводили мышам, их стойкость увеличивалась в пять раз по сравнению с предыдущим дизайном микрогелей и на порядок по сравнению с голыми МСК.
Чтобы вызвать иммунный ответ против МСК, команда инкубировала инкапсулированные клетки в среде, содержащей фетальную бычью сыворотку, которая распознается организмом как чужеродная, перед тем, как ввести их мышам. Хотя скорость клиренса инкапсулированных МСК была выше, чем наблюдаемая без активации иммунной системы, она все еще была в пять раз ниже, чем у голых МСК. Микрогели также превзошли голые МСК при введении мышам, у которых ранее был иммунный ответ памяти против МСК, который имитирует пациентов-людей, которым вводят несколько инфузий стволовых клеток.
МСК, подвергшиеся воздействию воспалительных цитокинов, реагируют увеличением экспрессии иммуномодулирующих генов и белков, поэтому исследователи затем проверили, влияет ли инкапсуляция в их новые микрогели на этот ответ.
Они обнаружили, что голые и инкапсулированные МСК имели сопоставимые уровни экспрессии генов при воздействии одних и тех же цитокинов, демонстрируя, что микрогели не ухудшали работу МСК.
Для борьбы с резистентностью команда вводила мышам микрогели, содержащие МСК, вместе с трансплантированным костным мозгом, половина из которых была иммуносовместима с мышью-реципиентом, а половина – аллогенной, или иммунным несоответствием. У мышей, получавших инкапсулированные МСК, доля аллогенных клеток костного мозга в их костном мозге и крови через девять дней была более чем вдвое выше, чем у мышей, не получавших МСК. Инкапсулированные МСК также привели к большей степени приживления аллогенных клеток в костном мозге хозяина по сравнению с голыми МСК.
«Одна из сильных сторон этой работы заключается в том, что в ней используется полностью негенетический подход для значительного увеличения выживаемости клеток в условиях трансплантации, где это крайне необходимо», – сказал Муни, который также является специалистом Роберта П. Семья Пинкасов, профессор биоинженерии в SEAS. "Эта технология прекрасно дополняет подходы генной инженерии и на самом деле может быть более эффективной, чем попытки напрямую модифицировать сами иммунные клетки."
Программа валидационного проекта Института Висс поддерживает продвижение этого подхода в качестве возможного лечения ишемии (сужения кровеносных сосудов) у людей и надеется продемонстрировать клиническую жизнеспособность в ближайшем будущем. Проекты валидации – это технологии с потенциально важными приложениями, которые успешно развиваются благодаря значительному уточнению концепции и соответствуют заранее определенным техническим критериям, критериям разработки продуктов и интеллектуальной собственности.
«Эта технология одновременно решает множество проблем с трансплантацией костного мозга и терапией стволовыми клетками с использованием элегантного подхода, основанного на биоматериалах, который представляет собой вид междисциплинарного мышления, который мы так ценим в Институте Висса», – сказал директор-основатель Wyss Дональд Ингбер.
M.D., Ph.D., который также является профессором биологии сосудов в HMS и Программой сосудистой биологии в Бостонской детской больнице Джуды Фолкман, а также профессором биоинженерии в SEAS. «Мы рады поддержать этот проект, поскольку он приближается к клинической проверке, и мы с нетерпением ждем других потенциальных применений микрокапсулирования для решения проблем доставки лекарств и клеток."
Среди других авторов статьи – член основного факультета Института Висс Дэвид Вайц, доктор философии.D.; Дэвид Скэдден, M.D., соучредитель и содиректор ИСКЧ и факультета стволовых клеток и регенеративной биологии Гарвардского университета; Постдокторанты Института Висс Берна Озкале Эдельманн, Нисарг Шах и Лиюань Чжан; Аспирант Висс Кайл Вининг; бывшая аспирантка Гарварда Тифейн Декомб, аспирантка Гарварда Кристина Трингидес и научный сотрудник Синг-Ван Вонг и доцент Дже-Вон, доктор философии.D., Шин из Иллинойского университета в Чикаго.
Это исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения и Институтом биологической инженерии Висса при Гарвардском университете.