Клетки спрятали от иммунитета — и диабет у мышей отступил на 100 дней

Ультратонкая оболочка позволила донорским островкам вырабатывать инсулин без постоянной иммуносупрессии

Пересадить человеку клетки, способные самостоятельно вырабатывать инсулин, уже возможно. Главная проблема начинается после пересадки: иммунная система видит донорские клетки как чужие и пытается их уничтожить.

Сегодня эту проблему можно сдерживать иммуносупрессивными препаратами. Но цена такого решения высока: подавление иммунной защиты повышает риск инфекций, злокачественных заболеваний и других серьезных осложнений.

Ученые предложили изменить сам принцип защиты трансплантата. Вместо того чтобы подавлять иммунитет всего организма, они попытались спрятать от него только пересаженные клетки.

Зачем вообще пересаживать клетки при диабете

В поджелудочной железе находятся островки Лангерганса — небольшие скопления эндокринных клеток. Среди них есть бета-клетки, которые реагируют на повышение глюкозы и выделяют инсулин.

При сахарном диабете 1 типа иммунная система разрушает собственные бета-клетки. Поэтому организму становится недостаточно своего инсулина, и его приходится вводить извне.

Отсюда возникает привлекательная идея: если вернуть в организм работающие островковые клетки, они потенциально смогут снова выполнять часть утраченной функции поджелудочной железы — измерять метаболическую ситуацию и выделять инсулин тогда, когда он нужен.

Это уже не чистая теория. В 2023 году FDA одобрило Lantidra (donislecel-jujn) — первую в США аллогенную клеточную терапию из островков поджелудочной железы умерших доноров для определенной группы взрослых с диабетом 1 типа и повторяющимися эпизодами тяжелой гипогликемии.

Но у такого подхода остается принципиальное ограничение: донорские клетки требуют иммуносупрессии.

Почему нельзя просто выключить иммунную систему

Для иммунитета пересаженный островок — не новая деталь собственного организма, а биологически чужая ткань.

Можно подавить иммунный ответ лекарствами, и современная трансплантология давно умеет это делать. Однако иммунная система нужна не только для отторжения трансплантатов. Она защищает человека от инфекций и участвует в контроле потенциально злокачественных клеток.

На примере уже одобренной Lantidra хорошо виден этот компромисс. FDA прямо указывает среди рисков сопутствующей иммуносупрессии тяжелые инфекции, злокачественные заболевания и тяжелую анемию.

Получается парадокс: клеточная терапия способна вернуть организму биологический источник инсулина, но для сохранения этих клеток приходится вмешиваться в работу иммунитета всего организма.

Именно этот компромисс исследователи решили попробовать обойти.

«Плащ-невидимка» оказался толщиной меньше человеческого волоса

Команда под руководством профессора биомедицинской инженерии Ёнга Ванга разработала биомиметическую оболочку BZP — biomimetic zona pellucida.

Биомиметическая означает, что технология воспроизводит принцип, уже существующий в природе.

Источником идеи стала zona pellucida — прозрачная оболочка, окружающая яйцеклетку млекопитающих. Это тонкий внеклеточный слой, выполняющий важные защитные и биологические функции.

Исследователи попытались воспроизвести саму идею такой оболочки вокруг терапевтических клеток.

В результате они создали гидрогелевую капсулу толщиной около 20 микрометров. Для сравнения: человеческий волос обычно в несколько раз толще.

Причем речь идет не о большой капсуле, внутри которой свободно лежат клетки. Материал плотно повторяет поверхность клеточного скопления, образуя очень тонкий защитный слой.

Главная хитрость — спрятать клетку, но не запереть инсулин

Здесь возникает инженерная проблема, от которой зависит вся идея клеточной терапии.

Если сделать барьер слишком проницаемым, иммунная система доберется до донорских клеток.

Если сделать его слишком плотным, клетка окажется изолированной от организма и перестанет нормально выполнять свою работу.

Островок должен чувствовать окружающую концентрацию глюкозы. Ему необходимы кислород и питательные вещества. А произведенный им инсулин должен быстро выходить наружу.

Поэтому оболочка должна одновременно выполнять две, на первый взгляд противоположные задачи: защищать трансплантат и сохранять обмен веществ между ним и организмом.

Именно здесь находится ключевой момент исследования.

Ученые не пытались сделать клетки полностью герметичными. Они создали полупроницаемую границу: достаточно защищающую островки от иммунной атаки, но позволяющую небольшим молекулам проходить через нее.

Проще говоря, задача состоит не в том, чтобы построить вокруг клетки стену. Нужен очень избирательный фильтр.

Как ученые создали такую оболочку

В опубликованной в Nature Biomedical Engineering работе описан многоступенчатый процесс формирования BZP.

В нем используется молекулярное распознавание с помощью аптамеров — коротких молекул нуклеиновых кислот, способных избирательно связываться с определенными молекулярными мишенями.

Затем происходит сшивание и уплотнение материала.

В результате на поверхности клеток самопроизвольно формируется гидрогелевая капсула толщиной около 20 микрометров. Авторы сообщают о 100-процентной эффективности инкапсуляции в своих экспериментах.

Важно и другое: процесс проходит в физиологических условиях, без воздействия жестких факторов, способных повредить клетки. По данным авторов, формирование оболочки не приводило к потере жизнеспособности или функции клеток.

Разработка технологии заняла около восьми лет.

Что произошло после пересадки островков диабетическим мышам

Следующим этапом стала проверка не просто материала, а его способности защищать работающие островковые клетки внутри живого организма.

Исследователи пересаживали покрытые BZP островки иммунокомпетентным диабетическим мышам. Это важная деталь: иммунная система животных оставалась функциональной.

Результат оказался заметным.

У животных, получивших защищенные островки, уровень глюкозы вернулся к нормальным значениям примерно в течение недели. Большинство мышей сохраняли нормогликемию более 100 дней без постоянной системной иммуносупрессии.

Именно продолжительность эффекта делает эксперимент особенно интересным.

По словам исследователей, незащищенные островки без системного подавления иммунитета могут терять функцию примерно за неделю или даже быстрее. Здесь трансплантат у большинства животных продолжал контролировать глюкозу более трех месяцев.

Это не означает, что мышей «вылечили от диабета навсегда». Но показывает, что физическая защита клеток способна существенно изменить продолжительность их работы в иммунокомпетентном организме.

Самое интересное здесь — не 100 дней

На первый взгляд главный результат исследования — продолжительный контроль глюкозы.

Но потенциально более важна сама стратегия.

Большая часть традиционной трансплантационной логики строится вокруг управления иммунной системой реципиента: если организм атакует пересаженную ткань, нужно ослабить эту атаку.

BZP предлагает другой подход: не менять иммунную систему всего организма, а изменить границу между организмом и трансплантатом.

Это принципиально разные задачи.

В первом случае лекарственное воздействие распространяется на пациента системно. Во втором ученые пытаются локализовать иммунную защиту непосредственно вокруг терапевтических клеток.

Если этот принцип когда-нибудь окажется безопасным и эффективным у людей, он может изменить соотношение пользы и риска клеточной терапии.

Почему это пока не новая терапия диабета

Между результатом у мышей и лечением человека остается огромная дистанция.

Исследование опубликовано в рецензируемом журнале Nature Biomedical Engineering, однако речь идет о доклинической работе. Людей BZP-защищенными островками в рамках этой работы не лечили.

Необходимо выяснить, насколько долго оболочка сохраняет свои свойства, как ведет себя материал в течение более длительных периодов, насколько надежно он защищает клетки от разных компонентов человеческой иммунной системы и можно ли безопасно масштабировать технологию.

Есть и еще одна фундаментальная проблема.

Диабет 1 типа — аутоиммунное заболевание. Поэтому клеточной терапии приходится учитывать не только обычное отторжение чужой донорской ткани, но и иммунные механизмы, лежащие в основе самого заболевания.

Кроме того, работа островков зависит не только от иммунной защиты. Клеткам необходимы достаточное снабжение кислородом, питательными веществами и стабильная интеграция с окружающей тканью.

Поэтому 100 дней у мышей — не доказательство того, что человеку можно будет пересадить покрытые оболочкой клетки и отказаться от инсулина или иммуносупрессии.

Это доказательство гораздо более узкой, но важной идеи: ультратонкий биоматериал способен защищать функциональные островковые клетки достаточно долго, чтобы они контролировали глюкозу в организме животного с работающей иммунной системой.

За пределами диабета идея становится еще интереснее

Если технология иммунной изоляции клеток окажется надежной, ее потенциальное применение не обязательно ограничится островками поджелудочной железы.

Современная клеточная терапия развивается в сторону использования живых клеток как своеобразных биологических фабрик: они могут производить нужные молекулы, реагировать на состояние организма или заменять утраченную функцию ткани.

Но почти всякий раз возникает один и тот же вопрос — как заставить терапевтические клетки долго жить в организме и при этом не вызвать нежелательную иммунную реакцию.

Авторы предполагают, что разработанный принцип в будущем можно исследовать для других направлений клеточной терапии, регенеративной медицины и иммунологических вмешательств.

Это пока перспектива, а не доказанное применение.

Но именно поэтому эксперимент с диабетическими мышами интересен шире самого диабета. Исследователи фактически испытывают новый способ сосуществования чужих терапевтических клеток и иммунной системы.