Forscher der Cornell University haben ein Implantatsystem entwickelt, das Typ-1-Diabetes behandeln kann, indem es dicht gepackten insulinproduzierenden Zellen zusätzlichen Sauerstoff zuführt, ohne dass eine Immunsuppression erforderlich ist. Das System könnte auch eine Langzeitbehandlung für eine Reihe chronischer Krankheiten ermöglichen.
Die Ergebnisse wurden am 11. August in Nature Communications veröffentlicht. Die Co-Erstautoren waren der ehemalige Postdoktorand Tung Pham und die Doktorandin Lora (Phuong) Tran.
Die Technologie baut auf früheren implantierbaren Kapselungsgeräten auf, die im Labor von Minglin Ma , Professor für Bio- und Umwelttechnik am College of Agriculture and Life Sciences (CALS) und leitender Autor des Artikels, entwickelt wurden.
Ma hat verschiedene Behandlungsmöglichkeiten für Typ-1-Diabetes erforscht. Bei dieser Erkrankung reagiert das körpereigene Immunsystem feindselig und zerstört insulinproduzierende Zellverbände der Bauchspeicheldrüse, die sogenannten Inselzellen. Ohne Insulin kann der Körper keine Glukose – also Zucker – in Muskel- und Gewebezellen transportieren, um Energie zu erzeugen. Menschen mit Typ-1-Diabetes behandeln die Krankheit in der Regel durch tägliche Insulinspritzen oder Insulinpumpen. Doch selbst mit dieser Behandlung leiden die Patienten unter den verheerenden Folgen der Krankheit.
Die früheren implantierbaren Geräte von Mas haben sich bei der Kontrolle des Blutzuckers bei diabetischen Mäusen als wirksam erwiesen, ihre Lebensdauer ist jedoch begrenzt.
„Eine der größten Herausforderungen besteht darin, dass das Implantat selbst nach der Implantation oft aufgrund von Sauerstoffmangel abstirbt“, sagte Tran. „In unserem Labor hatten wir Erfolg bei Mäusen, die über ein Jahr überlebten , und konnten den Diabetes mit einigen kleinen Kapseln ohne Sauerstoffproduktion sehr effektiv kontrollieren. Bei einer Skalierung benötigen wir jedoch mehr Zellen, vor allem eine höhere Dichte. Wir brauchen eine höhere Dosis. Wenn wir ohne Sauerstoffproduktion implantieren, sterben die Zellen oft innerhalb von zwei Wochen ab.“
Mas Team entwickelte das neue System in Zusammenarbeit mit Elektrochemieforschern von Giner Inc., darunter Co-Autorin Linda Tempelman, Ph.D. ’93.
Die Hauptkomponenten des Systems sind eine zylindrische Kapsel mit ringförmigem Querschnitt, die transplantierte insulinproduzierende Zellen enthält, und ein elektrochemischer Sauerstoffgenerator, der etwa so groß wie ein Zehncentstück ist und herausgenommen werden kann. Eine nanofaserige Membran außerhalb der Kapsel schützt die Zellen vor dem Immunsystem des Wirtskörpers; eine durchlässige Membran im Kapselkern ermöglicht die zentrale Sauerstoffversorgung des Zellrings.
„Wir müssen zwei Anforderungen erfüllen“, sagte Tran. „Die erste ist der Immunschutz. Und zweitens muss der Stoffaustausch aufrechterhalten werden, beispielsweise für Glukose und andere Nährstoffe und Moleküle, die ein- und austreten können.“
In Zusammenarbeit mit Dr. James Flanders , emeritierter außerordentlicher Professor am College of Veterinary Medicine, testeten die Forscher das System erfolgreich an Rattenmodellen.
„Das ist der Proof of Concept. Wir haben bewiesen, dass Sauerstoffzufuhr wichtig ist und dass Sauerstoffzufuhr Kapseln mit hoher Zelldichte ermöglicht“, sagte Tempelman. „Die Kapseln schützen das Immunsystem und halten lange, ohne dass die Membran verschmutzt wird. Der Körper mag es nicht, wenn man ihm Fremdstoffe zuführt. Deshalb ist die Ingenieursleistung des Ma Labs , nach Materialien und Beschichtungen für diese Materialien zu suchen, die das Immunsystem schützen, aber gleichzeitig keine übermäßigen Reaktionen des Körpers hervorrufen.“
Das neue System würde es einem deutlich größeren Teil der zwei Millionen Menschen mit Typ-1-Diabetes in den USA ermöglichen, eine Inselzelltransplantation oder Zelltherapie zu erhalten, ohne dass eine Immunsuppression erforderlich wäre, die für den Routineeinsatz als zu gefährlich gilt. Darüber hinaus ermöglicht das neue System eine deutlich bessere Blutzuckerkontrolle, wodurch die Krankheit wirksam geheilt werden kann und die Betroffenen wieder wie alle anderen essen, trinken und Sport treiben können.
Der nächste Schritt besteht darin, das System in ein Schweinemodell zu implantieren und es auch mit menschlichen Stammzellen zu testen. Die Forscher möchten das System später auch für die Implantation verschiedener Zelltypen in Menschen zur Langzeitbehandlung chronischer Krankheiten einsetzen, so Tempelman, CEO von Persista Bio Inc., einem neuen Startup, das sie zusammen mit Ma und Flanders gegründet hat und das diese Technologien lizenziert.
