Alginate capsules in a functional cure for diabetes – mapping of immune responses

Biokompatibilitet av alginatkapsler defineres ofte utfra vekst av vertsceller på overflaten til kapslene (overvekst) som kan være et problem på grunn av redusert diffusjon av næringsstoffer og oksygen. I tillegg kan aktiviserte immunceller skille ut komponenter som skader cellene i kapslene. Vi har gode erfaringer med alginatkapsler i musemodeller, men har en utfordring med overvekst ved implantering av alginatkapsler i aper (planlagt publisering i 2014). I en immunsupprimert diabetespasient som nylig ble transplantert med humant øyceller i alginatkapsel, i samarbeide med Det frie universitetet i Brussel, har vi observert overvekst av kapslene og dårlig funksjon av øyceller (Jacobs-Tulleneers-Thevissen et al., Diabetologia, 2013). Vi er derfor interessert i mulige immunreaksjoner knyttet til alginatkapslene (Rokstad et al., Advanced Drug Delivery Reviews, 2013).

Vi har studert ulike kapslers evne til å aktivere komplemetsystemet i en human helblodmodell (Rokstad et al. Micro and Nanosystems, 2013). Der ser vi at mirokapsler av alginat, en negativt ladet polymer, ikke stimulerer immunsystemet (Rokstad et al., Acta Biomaterialia, 2012). Positivt ladete polymere som ofte brukes i kapsler sammen med alginat, gir komplementaktivering og vi har også sett at dette er årsak til videre cytokinproduksjon (Rokstad et al. Biomaterials, 2013) som kan være en mulig start for overvekstreaksjon. I studier av overvekst av alginatkapsler i ulike dyremodeller (mus, rotte og Cyno aper) ser vi stor variasjon i reaksjon i ulike mottakere (planlagt publisert i 2014). Dyreforsøkene gjøres ved Illinois Universitet i Chicago.

Videre har vi studert binding og lekkasje av barium fra ulike alginatkapsler (Mørch et al. 2012). Barium kan være toksisk, og selv om vi vet at alginat binder barium ekstremt godt, ønsket vi å måle på binding og lekkasje for å sammenlikne med klinisk relevant scenario. For kapseltypen vi fokuserer på, ser vi at relevante lekkasjeverdier er under WHO sine grenseverdier, mens andre kapseltyper ligger over disse grenseverdiene. Videre analyser av alginatgelen viser at særdeles lange G-blokker i alginatet er årsak til at vi får dannet sterke og stabile geler med kalsium. Når barium brukes er også kortere G-blokker viktige for geldannelsen (Formo et al. Carbohydrate Research, 2014).

Vi har gode resultater ved transplantasjon av øyceller i alginatkapsel til diabetiske mus. Alginatkapselen beskytter transplanterte celler fra menneske mot frastøtning i 70-220 dager (Qi et al., Xenotransplantation, 2012). Dette viser at funksjonen som immunbarriere ser ut til å være ivaretatt selv med kryssing av artsbarrierer (menneske til mus). Nylige studier viser også at øyceller tåler eksponering for lavt oksygennivå bedre i kapsel enn uten kapsel in vitro (Hals et al., Journal of Diabetes Research, 2013).

Som konklusjon er alginatkapslene fremdeles lovende som immunbarriere for transplanterte insulinproduserende celler. Øyceller har god funksjon i kapselen som gir beskyttelse mot avstøtning, men vi har en utfordring i forhold til vekst av vertsceller på kapslene i primater. Vi har fått god innsikt i immunreaksjoner mot kapslene og til kapselstrukturen som vil være til hjelp for videre arbeide mot design av alginatkapsel for klinisk utprøvning i behandling av diabetes.

Biopolymere kan brukes som nettverk for dannelse av nytt vev (tissue engineering). Cellene kan skille ut ønskede produkter eller utvikle seg til celler med spesialiserte vevsoppgaver. Ved transplantasjon av for eksempel insulinproduserende øyceller kan blodsukkeret til diabetespasienter kontrolleres uten ekstern tilførsel av insulin.

Nettverk av biopolymeren alginat kan beskytte det transplanterte vevet ved å være en fysisk barriere mot kroppens immunsystem. For å sikre god tilgang til næring og utskillelse av avfallsstoffer, er det vanlig å lage mikrokapsler (ca 0,5 cm) av alginat rundt cellene. Vekst av vertsceller på overflaten til mikrokapslene kan være et problem på grunn av redusert diffusjon av næringsstoffer og oksygen. I tillegg kan aktiviserte immunceller skille ut komponenter som skader cellene i kapslene. Vi har gode erfaringer med alginatkapslene i musemodeller, men har sett at vi muligens har en utfordring med overvekst ved transplantasjon av alginatkapsler til primater. Derfor ønsker vi å se nærmere på potensielle immunreaksjoner knyttet til biomaterialer generelt og alginatkapsler spesielt.

Vi har studert ulike kapslers evne til å aktivere komplemetsystemet i en human helblodmodell. Der ser vi at mirokapsler der alginat som er et polyanion, er eneste polymerkomponent ikke stimulerer til komplementaktivering. Polykationer som ofte brukes av andre i kapsler sammen med alginat, gir komplementaktivering og vi har også sett at denne komplementaktiveringen er årsak til videre cytokinproduksjon. Komplementaktivering kan føre til betennelsesreaksjoner og er en mulig start for overvekstreaksjon. Vi er nå i gang med å studere overvekst av alginatkapsler i ulike dyremodeller (mus, rotte og Cyno aper) for å se på variasjon i reaksjon i ulike mottakere. Selve dyreforsøkene gjøres ved Illinois Universitet i Chicago (UIC).

Videre har vi studert binding og lekkasje av barium fra ulike alginatkapsler. Barium kan være toksisk, og selv om vi vet at alginat binder barium ekstremt godt, ønsket vi å måle på binding og lekkasje for å sammenlikne med klinisk relevant scenario. For kapseltypen vi har fokus på, ser vi at relevante lekkasjeverdier er under WHO sine grenseverdier, mens andre kapseltyper ligger over disse grenseverdiene.

Vi har gode resultater med bruk av alginatkapsler til transplantasjon av øyceller til diabetiske mus. Alginatnettverket beskytter transplanterte celler fra menneske mot frastøtning i 70-220 dager. Dette studiet viser at selv med kryssing av artsbarrierer (menneske til mus), beskytter kapselen mot immunreaksjoner, dvs. at funksjonen som immunbarriere ser ut til å være ivaretatt. Transplantasjonsstudier blir nå fulgt opp i større dyremodeller gjennom våre samarbeidspartnere i ”The Chicago Diabetes Project” (CDP) og gjennom EU-prosjektet BetaCellTherapy

Rokstad Anne Mari, Brekke Ole-Lars, Steinkjer Bjørg, Ryan Liv, Kolláriková Gabriela, Strand Berit L, Skjåk-Bræk Gudmund, Lambris John D, Lacík Igor, Mollnes Tom Eirik, Espevik Terje. The induction of cytokines by polycation containing microspheres by a complement dependent mechanism. Biomaterials 2013 Jan;34(3):621-30. Epub 2012 okt 24

Biopolymere kan brukes som nettverk for dannelse av nytt vev (tissue engineering). Cellene kan skille ut ønskede produkter eller utvikle seg til celler med spesialiserte vevsoppgaver. Ved transplantasjon av for eksempel insulinproduserende øyceller kan blodsukkeret til diabetespasienter kontrolleres uten ekstern tilførsel av insulin.

Nettverk av biopolymeren alginat kan beskytte det transplanterte vevet ved å være en fysisk barriere mot kroppens immunsystem. For å sikre god tilgang til næring og utskillelse av avfallsstoffer, er det vanlig å lage mikrokapsler (ca 0,5 cm) av alginat rundt cellene. Vekst av vertsceller på overflaten til mikrokapslene kan være et problem på grunn av redusert diffusjon av næringsstoffer og oksygen. I tillegg kan aktiviserte immunceller skille ut komponenter som skader cellene i kapslene. Vi har gode erfaringer med alginatkapslene i musemodeller, men har sett at vi muligens har en utfordring med overvekst ved transplantasjon av alginatkapsler til primater. Derfor ønsker vi å se nærmere på potensielle immunreaksjoner knyttet til biomaterialer generelt og alginatkapsler spesielt.

Vi har studert ulike kapslers evne til å aktivere komplemetsystemet i en human helblodmodell. Der ser vi at mirokapsler der alginat er eneste polymerkomponent ikke stimulerer til komplementaktivering. Komplementaktivering kan føre til betennelsesreaksjoner og er en mulig start for overvekstreaksjon. Vi er nå i gang med å studere overvekst av alginatkapsler i ulike dyremodeller (mus, rotte og Cyno aper) for å se på variasjon i reaksjon i ulike mottakere. Selve dyreforsøkene gjøres ved Illinois Universitet i Chicago (UIC).

Videre har vi studert binding og lekkasje av barium fra ulike alginatkapsler. Barium kan være toksisk, og selv om vi vet at alginat binder barium ekstremt godt, ønsket vi å måle på binding og lekkasje for å sammenlikne med klinisk relevant scenario. For kapseltypen vi har fokus på, ser vi at relevante lekkasjeverdier er under WHO sine grenseverdier, mens andre kapseltyper ligger over disse grenseverdiene.

Vi har gode resultater med bruk av alginatkapsler til transplantasjon av øyceller til diabetiske mus. Alginatnettverket beskytter de transplanterte cellene mot frastøtning i mer enn 100 dager. Transplantasjonsstudier blir nå fulgt opp i større dyremodeller gjennom våre samarbeidspartnere i ”The Chicago Diabetes Project” (CDP) og gjennom et EU-nettverk.

Som en forløper til studier i store dyremodeller har vi gjennom CDP utviklet en metode for implantering av kapsler med kikkhullsteknologi i bukhulen til bavian. Det viser seg viktig å fordele kapslene jevnt ulike plasser i buken med bruk av lite væske for å unngå sedimentering og klumping av kapslene, som igjen kan være en årsak til overvekst av vertsceller.

Biopolymere kan brukes som nettverk for dannelse av nytt vev (tissue engineering). Ved transplantasjon kan celler som sitter i polymernettverket overføres til kroppen. Cellene kan skille ut ønskede produkter eller utvikle seg til celler med spesialiserte vevsoppgaver. Ved transplantasjon av for eksempel insulinproduserende øyceller kan blodsukkeret til diabetespasienter kontrolleres uten ekstern tilførsel av insulin.

Nettverk av biopolymeren alginat kan beskytte det transplanterte vevet ved å være en fysisk barriere mot kroppens immunsystem. For å sikre god tilgang til næring og utskillelse av avfallsstoffer, er det vanlig å lage mikrokapsler (ca 0,5 cm) av alginat rundt cellene. Vekst av vertsceller på overflaten til mikrokapslene kan være et problem på grunn av redusert diffusjon av næringsstoffer og oksygen. I tillegg kan aktiviserte immunceller skille ut komponenter som skader cellene i kapslene. Vi har gode erfaringer med alginatkapslene i musemodeller, men har sett at vi muligens har en utfordring med overvekst ved transplantasjon av alginatkapsler til bavian. Derfor ønsker vi å se nærmere på potensielle immunreaksjoner knyttet til biomaterialer generelt og alginatkapsler spesielt.

Det første trinnet i en overvekstreaksjon er absorbsjon av proteiner til overflaten av biomaterialene ved implantasjon. Vi har startet arbeidet med alginat-protein interaksjoner ved å se på interaksjoner mellom alginat og noen utvalgte proteiner (blant annet fibrinogen som er en viktig komponent i overvekstreaksjoner) i løsning for så å studere disse interaksjonene videre i og på polymernettverket.

Videre har vi studert ulike kapslers evne til å aktivere komplemetsystemet i en human helblodmodell. Der ser vi at mirokapsler der alginat er eneste polymerkomponent ikke stimulerer til komplementaktivering. Komplementaktivering kan føre til betennelsesreaksjoner og er en mulig start for overvekstreaksjon.

Vi har gode resultater med bruk av alginatkapsler til transplantasjon av øyceller til diabetiske mus. Alginatnettverket beskytter de transplanterte cellene mot frastøtning i mer enn 100 dager. Transplantasjonsstudier blir nå fulgt opp i større dyremodeller gjennom våre samarbeidspartnere i ”The Chicago Diabetes Project” (CDP) og gjennom et EU-nettverk.

Som en forløper til studier i store dyremodeller har vi gjennom CDP utviklet en metode for implantering av kapsler med kikkhullsteknologi i bukhulen til bavian. Det viser seg viktig å fordele kapslene jevnt ulike plasser i buken med bruk av lite væske for å unngå sedimentering og klumping av kapslene, som igjen kan være en årsak til overvekst av vertsceller.