12. Specific tissue engineering systems based on alginates
12.1. Bloartificial pancreas
Diabetes mellitus type 1, also known as insulin-dependent diabetes, is a metabolic disorder caused by autoimmune destruction of the insulinproducing beta cells in the pancreas, leading to loss of control over blood glucose levels. Though still incurable, the disease is today treatable by a strict regimen of self-monitoring and insulin injections. However, insulin treatment provides only limited control over blood sugar levels, and both short- and long-term adverse effects are common. A tighter, closer to the natural level of control over blood glucose levels is therefore desirable. Today, this can be provided by transplantation of either whole pancreas or just the islets of Langerhans. In order to prevent rejection, the transplant must be accompanied by chronic administration of immunosuppressive drugs. These drugs have significant side effects, especially in the long term, limiting the applicability of this treatment for many patients. The concept of the bioartificial pancreas is based on transplantation of glucose-responsive, insulin-producing cells immobilized within a semi permeable Ideally, the membrane protects the transplanted cells from immune rejection without the need for chronic immunosuppress sive medication, while allowing the exchange of insulin, nutrients and waste products. Prospectively, this concept may even make transplantation of xenogeneic or genetically modified cells possible, thereby alleviating the currently limited availability of donor tissue available for transplantation.
Alginate is an attractive material for islet encapsulation, and cell immobilisation in general, mainly due to its gel-forming properties under close to physiological conditions, which together with the generally low immunogenicity of alginate gels allows the preservation of cell viability and
function post entrapment in a 3D matrix.92
Alginate is a main component in many different designs of the bioartificial pancreas. Recent examples of its use in macroencapsulation devices have been reported. 139, 140 The most investigated approach, however, was based on versions of the alginate microcapsule. The spherical shape of the microcapsule provides an optimal surface-to-volume ratio, which together with a relatively small size (diameter usually around 500 tm) gives better diffusion properties than macro-devices. Alginate-based
microcapsules are usually produced by suspending the islet cells in an alginate solution, which is added to a gelling bath containing divalent ions (Ca2or Ba2) through a droplet generator, spontaneously forming gel
beads encapsulating the islets. The gel beads can then be processed further to add additional layers on the surface that can be used to increase the stability and reduce the permeability of the capsules.’4’Commonly, a layer of polycation such as poly-L-lysine or poly-L-ornithine and an outer layer of alginate are added. The outer layer of alginate is added to mask exposed positive charges that may otherwise trigger an immune reaction.142 143 An immune reaction can lead to attachment of host cells on the biomaterial surface, which in turn can limit diffusion of nutrients and oxygen to the cells entrapped in the matrix with graft failure as a result.65
The molecular size cut-off of the pores must be carefully optimized in order for the device to function as an immunoisolation barrier without limiting the diffusion necessary for cell survival. It has been argued that for a xenogeneic graft, the pore-size should not allow diffusion of the immunoglobulin IgG (140 kDa), while for an allogeneic graft the cut-off may be less stringent.”
Transplantation of islets in alginate-based microcapsules has generally shown great promise in small animals, but less consistently in higher mammals, although some successful attempts have been published.’45’146 For example, promising results were recently reported where the blood glucose in diabetic monkeys was corrected for up to six months using an alginate macrocapsule)39Some clinical trials have been performed, but so far without producing clinically significant results.’47’5°
In light of the limited success in higher models, some groups, especially those working with macroencapsulation devices, have abandoned the zero overgrowth paradigm and instead focus on avoiding the formation of a fibrous capsule by promoting angiogenesis,68leading to increased blood supply to the device and thereby improving oxygen and nutrient supply. As indicated by some recent publications,’51’152 increasing attention is directed towards the role of the encapsulated cells in eliciting a detrimental immune response, the importance of which was identified about a decade a1g5o3. De Vos et a!. recently emphasised the lack of comprehensive and robust characterisation as an important factor limiting the progress in the field, and reviewed available testing methods that may help improve reproducibility and identify factors than can predict in vivo performance.
In summary; despite the lack of success in a clinical setting, the interest in the bioartificial pancreas and alginate-based microcapsules is still high, and although progress is occurring at a slower pace than was anticipated some years ago, the concept seems to be moving forward, as may be illustrated by the first ever phase II clinical trial involving alginate microcapsules, which is currently being p5erfor5med.’
12 . เฉพาะวิศวกรรมเนื้อเยื่อระบบขึ้นอยู่กับตุ๊บป่อง
12.1 . bloartificial ตับอ่อน
โรคเบาหวานประเภท 1 หรือที่เรียกว่าขึ้นอยู่กับอินซูลิน เบาหวาน คือโรคที่เกิดจากการเผาผลาญทำลายภูมิต้านทานของ insulinproducing เบต้าเซลล์ในตับอ่อน ที่นำไปสู่การสูญเสียการควบคุมระดับกลูโคสในเลือด แต่ยังคงรักษาไม่หายโรคนี้รักษาโดยระบบการปกครองที่เข้มงวดของวันนี้ตนและการฉีดอินซูลิน อย่างไรก็ตาม การรักษาอินซูลินให้เท่านั้น จำกัด ควบคุมระดับน้ำตาลในเลือด และทั้งในระยะสั้นและระยะยาวผลกระทบทั่วไป สัด ใกล้ชิดกับธรรมชาติ ระดับของการควบคุมระดับน้ำตาลในเลือดเป็นที่พึงปรารถนาดังนั้น วันนี้นี้สามารถให้บริการโดยการปลูกถ่ายตับอ่อนของอย่างใดอย่างหนึ่งทั้งหมดหรือแค่เกาะเล็กเกาะน้อยของเป็นปอดล้มเหลว เพื่อป้องกันการปฏิเสธอวัยวะต้องควบคู่ไปกับการบริหารเรื้อรังของยากดภูมิคุ้มกัน ยาเหล่านี้มีผลข้างเคียงที่สำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระยะยาว การ จำกัด การประยุกต์ใช้การรักษานี้สำหรับผู้ป่วยจำนวนมากแนวคิดของตับอ่อน bioartificial ขึ้นอยู่กับการตอบสนองของกลูโคส , อินซูลินที่ผลิตเซลล์ตรึงภายในกึ่งซึมผ่านใจกลาง เยื่อปลูกถ่ายเซลล์จากระบบภูมิคุ้มกันป้องกันการปฏิเสธโดยไม่ต้องเรื้อรัง immunosuppress sive ยา ในขณะที่การอนุญาตให้ใช้ตราของอินซูลิน , สารอาหารและของเสีย . การ ,แนวคิดนี้อาจจะทำให้การถ่ายเทของ xenogeneic หรือดัดแปลงพันธุกรรมเซลล์เป็นไปได้จึงแก้ไข ขณะนี้มีผู้บริจาคเนื้อเยื่อที่มีอยู่จำกัดเพื่อการปลูกถ่าย .
แอลเป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับการเดินทาง และ immobilisation เซลล์ทั่วไป เนื่องจากคุณสมบัติของเจล ภายใต้สภาพใกล้เคียงกับร่างกายซึ่งพร้อมด้วยสามารถต่ำโดยทั่วไปของอัลเจลช่วยรักษา viability ของเซลล์และ
โพสต์ให้ในฟังก์ชันเมทริกซ์ 3 มิติ แอล 92
เป็นส่วนประกอบหลักในการออกแบบที่แตกต่างกันหลายของตับอ่อน bioartificial . ตัวอย่างล่าสุดของการใช้งานในอุปกรณ์ macroencapsulation ได้รับการรายงาน 139 , 140 ที่สุดเพื่อวิธีการ อย่างไรก็ตามขึ้นอยู่กับรุ่นของอัลจิเนตไมโครแคปซูล . รูปทรงกลมของไมโครแคปซูล มีพื้นผิวที่เหมาะสมกับปริมาตร ซึ่งด้วยขนาดค่อนข้างเล็ก ( ขนาดปกติประมาณ 500 ) ซึ่งให้คุณสมบัติที่ดีกว่าการแพร่กระจายข้อมูลแมโคร อัลจิเนตจาก
แคปซูลมักจะผลิตโดยระงับเซลล์ Islet ในเนตโซลูชั่นซึ่งจะถูกเพิ่มเพื่อ gelling นํ้าที่มีไอออนขนาด ( ca2or ba2 ) ผ่านตัวเครื่องเองเป็นเจล
ลูกปัดห่อหุ้มเกาะเล็กเกาะน้อย เจลเม็ดจากนั้นจะสามารถเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มเลเยอร์เพิ่มเติมบนพื้นผิวที่สามารถใช้เพื่อเพิ่มความมั่นคงและลดการซึมผ่านของ '4'commonly , แคปซูลชั้นของ polycation เช่น poly-l-lysine หรือ poly-l-ornithine และชั้นนอกของอัลจิเนตที่มีการเพิ่ม ชั้นนอกของอัลจิเนตเพิ่มหน้ากากเปิดเผยค่าธรรมเนียมบวกอย่างอื่นอาจกระตุ้นภูมิคุ้มกัน reaction.142 143 ปฏิกิริยาภูมิคุ้มกันสามารถนำไปสู่ความผูกพันของเซลล์โฮสต์บนพื้นผิวิน ,ซึ่งจะสามารถ จำกัด การแพร่กระจายของสารอาหารและออกซิเจนไปยังเซลล์ตรึงในเมทริกซ์ด้วยอามิสสินจ้างล้มเหลวเป็นผล . 65
ตัดโมเลกุลขนาดของรูต้องรอบคอบ เหมาะสม เพื่อให้อุปกรณ์ทำงานเป็น immunoisolation อุปสรรคโดยไม่ จำกัด การแพร่กระจายที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอดของเซลล์ จะได้รับการถกเถียงกันอยู่ว่า xenogeneic รับสินบน ,ขนาดรูพรุน ควรให้กระจายของอิมมูโนโกลบูลิน IgG ( 140 กิโลดาลตัน ) ในขณะที่สำหรับ allogeneic กราฟตัดอาจจะเข้มงวดน้อยกว่าการปลูกถ่ายของเกาะเล็กเกาะน้อยใน "
เนตไมโครแคปซูลที่เตรียมได้แสดงสัญญาที่ดีโดยทั่วไปในสัตว์เล็กน้อย แต่ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชั้นสูงอย่างต่อเนื่อง แม้ว่าบางส่วนที่ประสบความสำเร็จความพยายามได้รับการตีพิมพ์ '45 '146 สำหรับ ตัวอย่างผลมีแนวโน้มได้รับรายงานว่าระดับน้ำตาลในเลือด ในผู้ป่วยเบาหวานที่ได้รับการแก้ไขลิงถึงหกเดือนใช้อัลจิเนต macrocapsule ) 39some การทดลองทางคลินิกได้รับการเพื่อให้ห่างไกล แต่ไม่มีการผลิตผลลัพธ์ทางคลินิกที่สำคัญ '47 ' 5 /
ในแง่ของความสำเร็จ จำกัด ในรุ่นที่สูงขึ้นบางกลุ่ม โดยเฉพาะคนที่ทำงานกับ macroencapsulation อุปกรณ์ ,ได้ละทิ้งศูนย์ overgrowth กระบวนทัศน์และแทนที่จะมุ่งเน้นที่หลีกเลี่ยงการก่อตัวของแคปซูลมีการ angiogenesis 68leading , ปริมาณเลือดที่เพิ่มขึ้นของอุปกรณ์และงบปรับปรุงจัดหาออกซิเจนและสารอาหาร ตามที่ระบุโดยสิ่งพิมพ์ล่าสุด' 51 '152 ความสนใจเพิ่มขึ้นเป็นโดยตรงต่อบทบาทของห่อหุ้มเซลล์ใน eliciting detrimental ภูมิคุ้มกัน ความสําคัญของซึ่งถูกระบุเกี่ยวกับทศวรรษ a1g5o3 . เดอวอส ET ! เมื่อเร็ว ๆ นี้ โดยขาดหลักที่ครอบคลุมและมีประสิทธิภาพเป็นปัจจัยจำกัด ความคืบหน้าในเขตข้อมูลและสุดท้ายของการทดสอบวิธีการที่อาจช่วยปรับปรุงการตรวจสอบ และปัจจัยที่สามารถทำนายประสิทธิภาพกว่าในสิ่งมีชีวิต
สรุป ; แม้จะประสบความสำเร็จในการตั้งค่าทางคลินิก , ความสนใจในตับอ่อน bioartificial อัลจิเนตจากไมโครแคปซูลและยังคงสูง และถึงแม้ว่าความคืบหน้าเกิดขึ้นที่ช้าลงมาก กว่าที่คาดการณ์ไว้เมื่อหลายปีก่อนแนวคิดที่ดูเหมือนว่าจะย้ายไปข้างหน้าในขณะที่อาจจะแสดงโดยครั้งแรกระยะที่ 2 การทดลองทางคลินิกที่เกี่ยวข้องกับอัลจิเนตไมโครแคปซูลซึ่งกำลังถูก p5erfor5med '
.
การแปล กรุณารอสักครู่..