Indkapsling eller indkapsling (også mikroindkapsling / mikroindkapsling ) af celler - en teknologi, der består i immobilisering af levedygtige celler i en polymer semipermeabel membran eller matrix, der tillader tovejs diffusion af oxygenmolekyler, næringsstoffer, vækstfaktorer og andre nødvendige for cellulær metabolisme, og ekstern spredning af produkters liv og terapeutiske proteiner, samtidig med at de forhindrer deres kontakt med immunceller og store proteiner, der kan igangsætte et immunrespons og ødelægge disse celler.
Hovedmålet med udviklingen inden for celleindkapsling er at overvinde transplantatafstødning i vævsteknologi og derved reducere behovet for langvarig brug af immunsuppressiva efter organ- og vævstransplantation.
De første vellykkede eksperimenter i retning af celleindkapsling i polymere membraner blev offentliggjort i 1934 af Vincenzo Bisceglie [1] . Han demonstrerede at tumorceller i en polymerstruktur transplanteret ind i bughulen på en gris forbliver levedygtige i en lang periode uden at blive afstødt af immunsystemet .
Tredive år senere, i 1964, foreslog Thomas Chang ideen om at indkapsle celler i ultratynde membraner og opfandt udtrykket "kunstige celler" for at definere begrebet bioindkapsling. Han antog, at disse dråbekapsler ikke kun ville beskytte latente celler mod immunafstødning, men også give et højt forhold mellem overflade og volumen, hvilket ville øge leveringen af ilt og næringsstoffer. Tyve år senere blev denne tilgang med succes omsat i praksis i små dyremodeller, da alginat-polylysin-alginat (APA) mikrokapsler blev udviklet til transplanterede øceller i diabetiske rotter . Undersøgelsen viste, at cellerne forblev levedygtige og kontrollerede glucoseniveauer i flere uger. I 1998 begyndte forsøg på mennesker: indkapslede cytokrom P450 -producerende celler blev med succes brugt til inoperabel bugspytkirtelkræft. Patienternes livsforlængelse var ca. det dobbelte af tidligere kendte lignende tilfælde.
Indkapslede celler giver forskere og læger en række yderligere muligheder. For det første kan sådanne celler frigive lægemidler i lang tid på stedet for deres implantation. Sådanne lægemiddelleveringsmetoder er mere nøjagtige og økonomiske end traditionelle. For det andet bliver det muligt at bruge dyr og genetisk modificerede celler i tilfælde af mangel på donorer. For det tredje kan kunstige celler administreres til forskellige patienter uanset deres leukocytantigen, hvilket reducerer omkostningerne ved behandlingen.
Potentialet ved at bruge mikroindkapslede celler i vellykkede kliniske forsøg kan realiseres, hvis de krav, der opstod under udviklingsprocessen, opfyldes, såsom brugen af en passende biokompatibel polymer, der danner en mekanisk og kemisk stabil semipermeabel membran; produktion af mikrokapsler af samme størrelse; anvendelsen af passende immunkompatible polykationer; valg af den passende celletype.
BiomaterialerBrugen af det bedste biomateriale afhængigt af anvendelsen er afgørende i udviklingen af lægemiddelleveringssystemer og vævsteknologi. Alginat er meget udbredt på grund af dets tilgængelighed og lave omkostninger, men andre materialer såsom cellulose, kollagensulfat, chitosan, gelatine og agarose er også blevet brugt.
AlginatFlere grupper har undersøgt flere naturlige og syntetiske polymerer i detaljer med det formål at udvikle det bedst egnede biomateriale til mikroindkapslingsceller. Naturlige alginatpolymerer betragtes som de mest egnede materialer til mikroindkapsling på grund af deres tilgængelighed, fremragende biokompatibilitet og lette bionedbrydelighed.
Alginat er ikke uden ulemper. Nogle forskere mener, at høj mannuronsyrealginat kan forårsage en inflammatorisk reaktion og unormal cellevækst. Andre har vist, at højt glucuronsyrealginat fører til endnu mere aktiv cellevækst og en inflammatorisk respons in vivo. Selv ultrarene alginater kan indeholde endotoksiner og polyphenoler , som kan kompromittere biokompatibiliteten af de resulterende indkapslede celler. Oprensning af alginater reducerer indholdet af endotoksiner og polyphenoler, men ændrer biomaterialets egenskaber.
Ændring og funktionalisering af alginatForskere har også været i stand til at udvikle omformede alginatmikrokapsler med øget biokompatibilitet og høj modstandsdygtighed over for osmotisk hævelse. En anden tilgang til at øge biokompatibiliteten af en biomaterialemembran er at modificere kapseloverfladen ved hjælp af peptid- og proteinmolekyler, som igen styrer proliferationen og differentieringshastigheden af indkapslede celler. En gruppe, der aktivt arbejder på at forbinde Arg-Gly-Asp (RGD) aminosyresekvensen til alginathydrogeler, har vist, at celleadfærd kan styres af tætheds-RGD i kombination med en alginatgel. Alginatmikropartikler fyldt med myoblastceller og funktionaliseret RGD gjorde det muligt at kontrollere væksten og differentieringen af belastede celler. En anden vigtig faktor, der styrer brugen af cellulære mikrokapsler i klinisk praksis, er udviklingen af en passende immunkompatibel polykation til at overtrække de ellers meget porøse alginatperler og dermed give systemet stabilitet og immunbeskyttelse. Poly-L-lysin er den mest udbredte polykation, men dens lave biokompatibilitet begrænser den vellykkede kliniske brug af disse poly-L-lysin formulerede mikrokapsler, der tiltrækker inflammatoriske celler og derved inducerer nekrose af belastede celler. Undersøgelser har også vist, at mikrokapsler af alginat-P-L-L-alginat (APA) viste lav mekanisk stabilitet og kort levetid. Flere forskergrupper har således ledt efter alternativer til P-L-L og har vist lovende resultater med poly-L-ornithin og poly(methylenhydrochlorid-co-guanidin) ved fremstilling af stærke mikrokapsler med høj og kontrolleret mekanisk styrke til celleindkapsling. Flere grupper har også undersøgt brugen af chitosan, som er en naturligt forekommende polykation, som en potentiel erstatning for P-L-L i fremstillingen af alginat-chitosan (A X) mikrokapsler til celleleveringsprogrammer. Undersøgelser har dog også vist, at stabiliteten af alginat-chitosan membraner igen er begrænset, og en gruppe viste, at modifikation af alginat-chitosan mikrokapsler med genipin (naturligt et iridoid glycosid fra gardenia frugt), der danner genipin tværbundne alginat-chitosan mikrokapsler. (GACh), gør det muligt at øge stabiliteten af cellulært ladede mikrokapsler.
GelatineGelatine opnås ved at denaturere kollagen . Besidder mange af de ønskede egenskaber såsom bionedbrydelighed, biokompatibilitet, ikke-immunogenicitet under fysiologiske forhold og nem forarbejdning, denne polymer er et godt valg til vævsteknologi. Anvendes til vævskonstruktion af hud, knogler og brusk.
ChitosanChitosan er et polysaccharid, der består af tilfældigt fordelte monomere enheder af D-glucosamin og N-acetyl-D-glucosamin forbundet med β-(1-4)-bindinger. Opnået fra N-deacetylering og delvis hydrolyse af chitin, er det aktivt undersøgt for problemerne med lægemiddelleveringssystemer (herunder målrettet terapi), udfyldning af rummet af implantater, dækning og forbindinger. Ulempen ved denne polymer er dens svage mekaniske egenskaber, men den bruges med succes til celleindkapsling i kombination med andre polymerer, især kollagen.
AgaroseAgarose er et tang-afledt polysaccharid, der anvendes til cellenanoindkapsling og agarosesuspensionsceller, som kan ændres til at danne mikroperler ved at sænke temperaturen under tilberedning. Imidlertid er en af ulemperne ved mikroperler fremstillet på denne måde muligheden for cellulær adgang gennem den polymere matrixvæg efter kapseldannelse.
CellulosesulfatCellulosesulfat er afledt af bomuld og kan, når det behandles korrekt, bruges som en biokompatibel base, hvor cellerne immobiliseres. Når en suspension af celler i en polyanionisk cellulosesulfatopløsning sættes til en opløsning af en anden polykationisk polymer (f.eks. pDADMAC), dannes en semipermeabel membran omkring de suspenderede celler som et resultat af gelering mellem de to polyioner. Både pattedyrsceller og bakterier forbliver levedygtige under sådanne forhold og fortsætter med at replikere inde i membrankapslen. I modsætning til nogle andre indkapslingsmaterialer kan denne fremgangsmåde således bruges til at dyrke celler ved deres virkning som en mini-bioreaktor. Materialets biokompatible natur er blevet påvist i undersøgelser med cellefyldte implantatkapsler såvel som isolerede materialekapsler.[ hvad? ] . Cellulosesulfatkapsler er med succes blevet testet i prækliniske og kliniske forsøg i både dyr og mennesker, primært til tumorterapi, men de bliver fortsat undersøgt til andre applikationer.
Brugen af et ideelt højkvalitets biomateriale med iboende biokompatibilitetsegenskaber er den vigtigste faktor, der bestemmer den langsigtede effektivitet af denne teknologi. Det ideelle biomateriale til celleindkapsling bør være et, der er fuldt biokompatibelt og ikke fremkalder et immunrespons i værten og ikke interfererer med cellulær homeostase , for at sikre høj cellelevedygtighed. En af de største begrænsninger har dog været manglende evne til at reproducere forskellige biomaterialer og kravene til at opnå en bedre forståelse af biomaterialers og mikrokapselsystemets kemi og biofunktionalitet. Adskillige undersøgelser har vist, at overflademodifikation af disse celler indeholdende mikropartikler tillader kontrol af vækst og cellulær differentiering af indkapslede celler. En undersøgelse har foreslået brugen af zeta-potentiale, som måler den elektriske ladning af en mikrokapsel, som et middel til at forudsige grænsefladeinteraktionen mellem mikrokapslen og omgivende væv og til gengæld biokompatibiliteten af leveringssystemet.