Внутрибрюшинное введение клеточно-инженерной конструкции поджелудочной железы крысам с экспериментальным сахарным диабетом (предварительные результаты)

Создание биоискусственной поджелудочной железы (ПЖ), в том числе клеточно-инженерной конструкции (КИК), сформированной на основе островков Лангерганса и биосовместимого матрикса, имитирующего нативное микроокружение панкреатической ткани, является одним из подходов к лечению сахарного диабета I типа (СД I).

Целью работы было проведение предварительных исследований in vivo функциональной эффективности внутрибрюшинного введения клеточно-инженерной конструкции эндокринного отдела поджелудочной железы и суспензии панкреатических островков крысы в экспериментальной модели СД I.

Материалы и методы. Тканеспецифический матрикс получали в результате децеллюляризации фрагментов ПЖ человека. Определяли жизнеспособность и функциональную активность островков крысы, выделенных с помощью коллагеназы. Экспериментальный СД I моделировали путем внутрибрюшинного введения малых доз стрептозотоцина и неполного адъюванта Фрейнда крысам. Крысам дважды вводили внутрибрюшинно КИК ПЖ (n = 2) или суспензию островков (n = 1). Оценивали уровень глюкозы в крови и моче крыс, а также проводили гистологическое исследование органов (поджелудочная железа и почки) экспериментальных животных.

Результаты. После первого введения отмечали постепенное снижение уровня глюкозы в крови всех животных более чем на 47% от исходных значений, у которых к 24 суткам наблюдения происходил подъем уровня глюкозы до исходных гипергликемических показателей. После повторного введения наблюдали снижение уровня гликемии у животных с КИК ПЖ на 63,4% и на 47,5% – у крысы с суспензией островков. Через 5 недель эксперимента происходило постепенное повышение уровня глюкозы в крови у всех животных. При этом гликемический показатель крысы с введенной КИК ПЖ был на 62% ниже показателя гликемии у крысы с введенными островками.

Заключение. В предварительных экспериментах показано, что аллогенные панкреатические островки в составе КИК ПЖ увеличивают длительность стабильного уровня гликемии у крыс с СД I.

1. Fiorina P, Shapiro AM, Ricordi C, Secchi A. The clinical impact of islet transplantation. Am J Transplant. 2008; 8: 1990–1997.

2. Shapiro AM, Lakey RT, Ryan EA, Korbutt GS, Toth E, Warnock GL et al. Islet transplantation in seven patients with type 1 diabetes mellitus using a glucocorticoid-free immunosuppressive regimen. N Engl J Med. 2000; 343 (4): 230–238. doi: 10.1056/NEJM200007273430401.

3. Hering BJ, Clarke WR, Bridges ND, Eggerman TL, Alejandro R, Bellin MD et al. Phase 3 trial of transplantation of human islets in type 1 diabetes complicated by severe hypoglycemia. Diabetes Care. 2016; 39 (7): 1230–1240. doi: 10.2337/dc15-1988.

4. Barton FB, Rickels MR, Alejandro R, Hering BJ, Wease S, Naziruddin B et al. Improvement in outcomes of clinical islet transplantation: 1999–2010. Diabetes Care. 2012; 35 (7): 1436–1445. https://doi.org/10.2337/dc12-0063.

5. Ryan EA, Paty BW, Senior PA, Bigam D, Alfadhli E, Kneteman NM et al. Five-year follow-up after clinical islet transplantation. Diabetes. 2005; 54: 2060–2069. https://doi.org/10.2337/diabetes.54.7.2060.

6. Gerber PA, Lehmann R. Islet transplantation in type I diabetes mellitus. Diabetologe. 2015; 11 (7): 545–552.

7. Vantyghem MC, de Koning EJP, Pattou F, Rickels MR. Advances in beta-cell replacement therapy for the treatment of type 1 diabetes. Lancet. 2019; 394 (10205): 1274–1285.

8. Eguchi N, Damyar K, Alexander M, Dafoe D, Lakey JRT, Ichii H. Anti-Oxidative Therapy in Islet Cell Transplantation. Antioxidants. 2022; 11: 1038. https://doi.org/10.3390/antiox11061038.

9. Korsgren O, Nilsson B, Berne C, Felldin M, Foss A, Kallen R et al. Current status of clinical islet transplantation. Transplantation. 2005; 79: 1289–1293. doi: 10.1097/01.tp.0000157273.60147.7c.

10. Shapiro AM, Gallant HL, Hao EG, Lakey JR, McCready T, Rajotte RV et al. The portal immunosuppressive storm: relevance to islet transplantation. Ther Drug Monit. 2005; 27 (1): 35–37. doi: 10.1097/00007691200502000-00008.

11. Bennet W, Sundberg B, Groth CG, Brendel MD, Brandhorst D, Brandhorst H et al. Incompatibility between human blood and isolated islets of Langerhans: a finding with implications for clinical intraportal islet transplantation? Diabetes. 1999; 48 (10): 1907–1914. doi: 10.2337/diabetes.48.10.1907.

12. Kumar N, Joisher H, Ganguly A. Polymeric scaffolds for pancreatic tissue engineering: a review. Rev Diabet Stud. 2018; 14 (4): 334–353.

13. Riopel M, Wang К. Collagen matrix support of pancreatic islet survival and function. Frontiers in Bioscience. 2014; 19: 77–90. doi: 10.2741/4196.

14. Lemos NE, de Almeida Brondani L, Dieter C, Rheinheimer J, Bouças AP, Bauermann Leitão C et al. Use of additives, scaffolds and extracellular matrix components for improvement of human pancreatic islet outcomes in vitro: A systematic review. Islets. 2017; 9 (5): 73–86. doi: 10.1080/19382014.2017.1335842.

15. Salvatori M, Katari R, Patel T, Peloso A, Mugweru J, Owusu K, Orlando G. Extracellular matrix scaffold technology for bioartificial pancreas engineering: state of the art and future challenges. J Diab Sci Technol. 2014; 8 (1): 159–169. doi: 10.1177/1932296813519558.

16. Gazia C, Gaffley M, Asthana A. Scaffolds for pancreatic tissue engineering. Handbook of Tissue Engineering Scaffolds: Volume Two. 2019; 765–786. doi: 10.1016/B978-0-08-102561-1.00032-4.

17. Fisher SA, Tam RY, Shoichet MS. Tissue mimetics: engineered hydrogel matrices provide biomimetic environments for cell growth. Tissue Engineering. 2014; 20 (5–6): 895–898. doi: 10.1089/ten.tea.2013.0765.

18. Coronel M, Stabler C. Engineering a local microenvironment for pancreatic islet replacement. Curr Opin Biotechnol. 2013; 24 (5): 900–908. doi: 10.1016/j.copbio.2013.05.004.

19. Buitinga M, Assen F, Hanegraff M. Micro-fabricated scaffolds lead to efficient remission of diabetes in mice. Biomaterials. 2017; 135: 10–22.

20. Abualhassan N, Sapozhnikov L, Pawlick RL, Kahana M, Pepper AR, Bruni A et al. Lung-derived microscaffolds facilitate diabetes reversal after mouse and human intraperitoneal islet transplantation. PLoS One. 2016; 11 (5): e0156053. doi: 10.1371/journal.pone.0156053.

21. Szebeni GJ, Tancos Z, Feher LZ, Alfoldi R, Kobolak J, Dinnyes A, Puskas LG. Real architecture for 3D Tissue (RAFT) culture system improves viability and maintains insulin and glucagon production of mouse pancreatic islet cells. Cytotechnology. 2017; 69 (2): 359–369. doi: 10.1007/s10616-017-0067-6.

22. Amer LD, Mahoney MJ, Bryant SJ. Tissue engineering approaches to cell-based type 1 diabetes therapy. Tissue engineering. 2014; 20 (5): 455–467.

23. Damodaran G, Vermette P. Decellularized pancreas as a native extracellular matrix scaffold for pancreatic islet seeding and culture. J Tissue Eng Regen Med. 2018; 12 (5): 1230–1237. doi: 10.1002/term.2655.

24. Mendibil U, Ruiz­Hernandez R, Retegi­Carrion S, Garcia­Urquia N, Olalde­Graells B, Abarrategi A. Tissuespecific decellularization methods: rationale and strategies to achieve regenerative compounds. Int J Mol Sci. 2020; 21: 5447. doi: 10.3390/ijms21155447.

25. Rana D, Zreigat H, Benkirane­Jessel N, Ramakrishna S, Ramalingam M. Development of decellularized scaffolds for stem cell-driven tissue engineering. J Tissue Eng Regen Med. 2017; 11 (4): 942–965. doi: 10.1002/term.2061.

26. Shirakigawa N, Ijima H. Decellularized tissue engineering. Advances in Biomaterials for Biomedical Applications. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2017; 66: 185–226. doi: 10.1007/978-981-10-3328-5_5.

27. Sevastianov VI, Basok YuB, Grigoriev AM, Nemets EA, Kirillova AD, Kirsanova LA et al. Decellularization of cartilage microparticles: Effects of temperature, supercritical carbon dioxide and ultrasound on biochemical, mechanical, and biological properties. J Biomed Mater Res A. 2023; 111 (4): 543–555. doi: 10.1002/jbm.a.37474.

28. Sevastianov VI, Ponomareva AS, Baranova NV, Kirsanova LA, Basok YuB, Nemets EA et al. Decellularization of Human Pancreatic Fragments with Pronounced Signs of Structural Changes. Int J Mol Sci. 2023; 24: 119. https://doi.org/10.3390/ijms24010119.

29. Mirmalek­Sani SH, Orlando G, McQuilling JP, Pareta R, Mack DL, Salvatori M et al. Porcine pancreas extracellular matrix as a platform endocrine pancreas bioengineering. Biomaterials. 2013; 34 (22): 5488–5495. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.03.054.

30. Wu D, Wan J, Huang Y, Guo Y, Xu T, Zhu M et al. 3D culture of MIN-6 cells on decellularized pancreatic scaffold: in vitro and in vivo study. Biomed Res Int. 2015; 2015: 432645. doi: 10.1155/2015/432645.

31. Sevastianov VI, Baranova NV, Kirsanova LA Ponomareva AS, Basok YuB, Nemets EA, Gautier SV. Comparative analysis of the influence of extracellular matrix biomimetics on the viability and insulin-producing function of isolated pancreatic islets. J Gene Engg Bio Res. 2021; 3 (2): 17–25. doi: 10.33140/igerb.03.02.02.

32. Karaoz E, Genç ZS, Demircan PÇ, Aksoy A, Duruksu G. Protection of rat pancreatic islet function and viability by coculture with rat bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Cell Death Dis. 2010; 1: e36. doi: 10.1038/cddis.2010.14.

33. Великий ДА, Закирьянов АР, Клименко ЕД, Онищенко НА, Поздняков ОМ. Патент на изобретение «Способ моделирования сахарного диабета I типа у крыс» от 27.09.2010.

34. Севастьянов ВИ. Технологии тканевой инженерии и регенеративной медицины. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2014; 16 (3): 93–108. doi: 10.15825/1995-1191-2014-3-93-108.