Оболочка яйцеклетки скрыла трансплантат от иммунной системы хозяина

Трансплантация островковых клеток, вырабатывающих инсулин, — перспективный метод лечения диабета 1 типа. Однако трансплантат необходимо защитить от разрушения иммунной системой. Пересаженные клетки уже предлагалось покрывать капсулой, однако здесь приходится искать компромисс между долгосрочной защитой самих клеток, которую может обеспечить толстая оболочка, и выделением инсулина в организм. Авторы статьи в Nature Biomedical Engineering обратили внимание, что тонкая, но эффективная защитная оболочка существует в природе — речь про zona pellucida, гликопротеиновую оболочку яйцеклетки. Они создали гидрогелевую имитацию этой оболочки и показали, что она защищает аллогенные клетки, вживленные иммунокомпетентным мышам.

В зрелых человеческих яйцеклетках zona pellucida имеет толщину 10–30 мкм; после оплодотворения ионы Ca²⁺ и ферменты быстро ремоделируют ее, приводя к затвердению — в таком виде оболочка препятствует проникновению лишних сперматозоидов и первое время служит барьером для защиты эмбриона. Чтобы имитировать формирование такой оболочки, авторы с помощью ДНК-аптамеров закрепили на поверхности клеток тромбин — сериновую протеазу. В присутствии Ca²⁺ тромбин расщепляет фибриноген и запускает формирование фибриновой сетки, в состав которой также включается альгинат и полилизин. 

Сперва ученые смоделировали образование гидрогелевой оболочки на микрочастицах и подобрали оптимальные ДНК-аптамеры, связывающие тромбин. Полученная структура оказалась избирательно проницаема — декстран с молекулярной массой 4 кДа проходил через нее свободно, по мере увеличения молекулярной массы диффузия затруднялась, а на 250 кДа становилась невозможной. 

Затем авторы покрыли гидрогелевой оболочкой живые клетки различных линий. Они протестировали мезенхимальные стволовые клетки, линию рака молочной железы MCF7 и островковые клетки поджелудочной железы. Также ученые использовали сами островки, состоящие из α-, β-, γ-, δ- и эндотелиальных клеток. Средняя толщина покрытия составила 20 мкм, а его формирование, как убедились авторы, не снижало жизнеспособность клеток и не нарушало их функцию. 

Наконец, исследователи провели эксперименты на животной модели. Иммунокомпетентным мышам с диабетом подсаживали крысиные островки Лангерганса, покрытые искусственной «оболочкой яйцеклетки». В крови мышей, получивших трансплантат, начал детектироваться С-пептид крысы. 

Тест на глюкозотолерантность через 20 дней после трансплантации показал, что такие островки эффективнее для контроля уровня глюкозы, чем лишенные оболочки. К 20-му дню у мышей также восстановилась нормогликемия, которая поддерживалась более 60 дней (у одной мыши — более 100). Контрольные островки (без защитного покрытия) такого воздействия не обеспечили, и через 9 дней признаки диабета вернулись. Кроме того, у мышей, которым вживили покрытые гидрогелем островки, снижался уровень гликированного гемоглобина — еще один признак того, что гликемический контроль нормализовался. 

Таким образом, тонкая гидрогелевая капсула, вдохновленная естественной оболочкой яйцеклетки, обеспечивает одновременно проницаемость для инсулина и защиту самого трансплантата от атаки иммунной системой. При этом оболочка не занимает много места, то есть не окажет существенного влияния на объем самого трансплантата (для сравнения, островок диаметром 100 мкм ранее предлагали упаковывать в микрокапсулу размером 500 и более мкм). 

Новый имплант защитил плотно упакованные островковые клетки как от иммунного отторжения, так и от гипоксии