Helfen transplantierten Stammzellen bleiben und Ihre Arbeit tun: Neue microgel-encapsulation-Methode ebnet den Weg für effizientere Zell-Therapien

Knochenmark-Transplantationen von hämatopoetischen Stammzellen werden die standard-Behandlung für eine Vielzahl von Bedingungen, einschließlich Krebserkrankungen des Blut-und lymphatischen systems, Sichel-Zell-Anämie, erbliche Stoffwechselstörungen und Strahlenschäden. Leider, viele Knochenmark-Transplantationen scheitern an der Ablehnung durch das Immunsystem des Patienten oder graft-versus-host-Krankheit (in dem die transplantierten Knochenmark-Zellen der Patienten angreifen und die gesunden Zellen), beide können tödlich sein. Mesenchymale Stromazellen (MSCs) bekannt sind, zu sezernieren Substanzen, die das Immunsystem modulieren und die Versprechen gezeigt haben, bei der Eindämmung dieser Probleme in Tier-Studien. Allerdings, klinische Ergebnisse, die mit MSCs enttäuschend so weit, wie Sie sehr schnell wieder aus dem Körper und kann zeichnen Angriff von Patienten mit Immunsystem, und die Bemühungen zur Kapselung von MSCs in einer Schutzhülle Biomaterialien geführt haben große, sperrige Hydrogele, die nicht intravenös verabreicht werden und beeinträchtigen die Funktionen der Zellen.

Heute, in einer ersten wissenschaftlichen Forscher am Wyss-Institut für Biologisch Inspirierte Engineering an der Harvard ‚ s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) und das Harvard Stem Cell Initiative (HSCI) Nachweis, dass die single-cell encapsulation-Technologie, die effektiv schützt transplantierte MSCs von der Freigabe-und Immunsystem angreifen und verbessert den Erfolg der Transplantation von Knochenmark bei Mäusen. Die Arbeit ist veröffentlicht in PNAS.

„Unseres Wissens ist dies das erste Beispiel für single-cell encapsulation verwendet wird, um die Verbesserung der Zell-Therapien, die sich immer mehr ausbreitet als Behandlungen für eine Reihe von Krankheiten,“ sagte ersten Autor Angelo Mao, Ph. D., ein ehemaliger student im Aufbaustudium im Labor von Wyss Kern Mitglied der Fakultät und führen die Wyss-Immuno-Materialien-Plattform David Mooney, Ph. D., der jetzt ein postdoc mit Wyss Kern Mitglied der Fakultät, James Collins, Ph. D. „Und, unsere verkapselten Zellen können eingefroren und wieder aufgetaut werden, mit minimaler Auswirkung auf die Zellen, die Leistung, die kritisch in den Kontext von Krankenhäusern und anderen Behandlungszentren.“

Dieser Fortschritt baut auf einer Methode, die das team zuvor entwickelt, die mithilfe einer mikrofluidischen Vorrichtung zum beschichten von einzelnen lebenden Zellen mit einer dünnen Schicht aus Alginat-basierten hydrogel, das zu schaffen, was Sie Begriff „mikrogele.“ Der Prozess kapselt die Zellen mit 90% Effizienz, und die daraus resultierende mikrogele sind klein genug, dass Sie übermittelt werden können intravenös, im Gegensatz zu den sperrigen Hydrogele erstellt, die von anderen Methoden. Wenn injiziert in Mäuse, MSCs, gekapselt, mit dieser Technik blieb in den Tieren des Gegners zehn mal mehr als das „Nackte“ MSCs und blieb lebensfähig für bis zu drei Tage.

Da eine große Menge von MSCs‘ klinischen ansprechen liegt in der Sekretion von Substanzen modulieren die körpereigene Immunsystem, die Forscher benötigt, um zu testen, wie microgel Kapselung betrifft MSCs die Fähigkeit zu funktionieren und zu widerstehen, immun-Angriff. Sie verändert Ihre ursprüngliche Alginat microgel durch das hinzufügen einer weiteren Verbindung, die cross-links, um das Alginat und lässt den microgel steifer und besser in der Lage, zu widerstehen, den Körper, das Immunsystem und clearance-Mechanismen. Sie auch kultivierten MSCs nach der Verkapselung Sie zu ermutigen, zu teilen und produzieren mehr Zellen. Wenn diese neuen mikrogele wurden injiziert in Mäuse, deren Persistenz verfünffacht gegenüber der vorherigen microgel design und eine Größenordnung über die nackten MSCs.

Zum induzieren einer Immunantwort gegen die MSCs, die Mannschaft inkubiert verkapselten Zellen in einem medium mit fetalem bovinem serum, das erkannt wird, indem der Körper als fremden, vor der Einführung Sie in Mäuse. Während der clearance-rate der gekapselten MSCs war höher als die, die beobachtet, ohne immun-Aktivierung, es war immer noch fünf mal niedriger als die von bloßen MSCs. Die mikrogele auch besser als blanke MSCs, wenn Sie injiziert in Mäuse, eine bereits vorhandene immun-Gedächtnis-Reaktion gegen MSCs, die imitiert menschliche Patienten, die gegeben sind mehrere Infusionen von Stammzellen.

MSCs ausgesetzt inflammatorische Zytokine reagieren durch die Erhöhung der expression von immun-modulierenden Genen und Proteinen, so die Forscher weiter getestet, ob encapsulation in Ihrer neuen mikrogele beeinflusst diese Antwort. Sie fanden heraus, dass kahl und gekapselt MSCs hatte vergleichbare Ebenen der gen-expression, wenn ausgesetzt, um die gleichen Zytokine, die belegen, dass die mikrogele nicht beeinträchtigt MSC-Leistung.

Für Ihre pièce-de résistance, das team injiziert Ihre MSC-haltige mikrogele in Mäusen, die zusammen mit transplantierten Knochenmark, von denen die Hälfte war immun-kompatibel mit den Empfänger-Maus und die Hälfte von denen war allogenen oder eine immun-mismatch. Mäuse, die empfangen gekapselt MSCs hatte mehr als das doppelte der Anteil der allogenen Knochenmark-Zellen in Ihrem Knochenmark-und Blut-nach neun Tagen im Vergleich mit Mäusen, die nicht erhalten MSCs. Gekapselt MSCs führte auch zu einem höheren Grad der engraftment der allogenen Zellen in den host-Knochenmark im Vergleich zu bloßen MSCs.

„Einer der starken Punkte dieser Arbeit ist, dass es nutzt eine völlig nicht-genetischen Ansatz, um drastisch zu erhöhen, das überleben der Zellen im Transplantat Kontexten, wo es bitter nötig,“ sagte Mooney, der auch der Robert P. Pinkas Familie Professor für Bioengineering an der SEE. „Diese Technologie schön ergänzt gentechnische Ansätze, und in der Tat könnte effizienter sein, als der Versuch der direkten ändern der Immunzellen selbst.“

Das Wyss-Institut der Validierungs-Projekt-Programm unterstützt die Weiterentwicklung dieses Ansatzes als eine mögliche Behandlung für die Ischämie (Verengung der Blutgefäße) in menschlichen Patienten, und hofft, demonstrieren klinischen Bewährung in der nahen Zukunft. Validierungsprojekte sind Technologien mit Potenzial high-impact-Anwendungen, die erfolgreich voran durch erhebliche Konzept Raffinesse und erfüllen vordefinierte technische, Produkt-Entwicklung und geistiges Eigentum Kriterien.

„Diese Technologie gleichzeitig behebt mehrere Probleme mit der Transplantation von Knochenmark-und Stammzell-Therapien mit einem eleganten, Biomaterialien-basierten Ansatz, stellt die Art der cross-disziplinären denken, das schätzen wir so sehr an der Wyss Institut,“ sagte Wyss Gründungsdirektor Donald Ingber, M. D., Ph. D., der auch der Judah Folkman Professor für Vaskuläre Biologie an der HMS und der Vaskulären Biologie-Programm an der Boston Kinderkrankenhaus, sowie Professor für Bioengineering an der SEE. „Wir sind begeistert, dieses Projekt zu unterstützen, wie es bewegt sich in Richtung der klinischen Validierung, und wir freuen uns auf weitere potenzielle Anwendungen der Mikroverkapselung zu Adresse, Drogen-und Zell-delivery-Probleme.“

Weitere Autoren des Papiers gehören Wyss-Institut-Kern-Mitglied der Fakultät, David Weitz, Ph. D;; David Scadden, M. D., co-Gründer und co-Direktor des HSCI sowie Harvard University Department of Stem Cell and Regenerative Biology; Wyss-Institut postdoctoral fellows Berna Özkale Edelmann, das Nisarg Shah und Liyuan Zhang; Wyss student Kyle Vining; der ehemalige Harvard-student Tiphaine Descombes, der Harvard graduate student Christina Tringides und Postdoc Singen-Wan Wong und Assistant Professor Jae-Won, Ph. D., Shin von der Universität von Illinois in Chicago.

Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Institutes of Health und der Wyss Institut für Biologisch Inspirierte Engineering an der Harvard University.