Intelligente Nanobeschichtung transplantierter Zellen zur Diabetesbehandlung
Der menschlichen Bauchspeicheldrüse kommt eine wichtige physiologische Rolle zu, da das dort produzierte Insulin in den Blutkreislauf abgegeben wird und den Blutzuckerspiegel reguliert. Bei Diabetes allerdings ist die Funktion insulinproduzierender Zellen in bestimmten Strukturen der Bauchspeicheldrüse, so genannten „Inseln“, gestört. „Eine Möglichkeit, Diabetes zu behandeln, ist die Transplantation der Inseln eines verstorbenen Spenders oder aus anderen Quellen, etwa Stammzellen. Problematisch dabei ist jedoch, dass die transplantierten Inseln vom Immunsystem erkannt und angegriffen werden, sodass die Implantate schnell absterben“, erklärt José Carlos Rodríguez-Cabello, Professor für Kondensierte Materie an der Universität Valladolid, Spanien, und Projektkoordinator von ELASTISLET (Tailored Elastin-like Recombinamers as Advanced Systems for Cell Therapies in Diabetes Mellitus: a Synthetic Biology Approach towards a Bioeffective and Immunoisolated Biosimilar Islet/Cell Niche). Transplantierte Patienten erhalten zwar Immunsuppressiva, was aber nicht sehr effektiv ist. Bei Patienten, die schon im Kindesalter Diabetes entwickeln, muss die Gabe immunsupprimierender Medikamente zudem lebenslang erfolgen. In diesem Sinne entwickelten EU-finanzierte Wissenschaftler nun für spezielle biotechnologisch erzeugte Zellen eine Nanobeschichtung mit neuartigen Biomaterialien. Dadurch werden die Zellen vor dem Immunsystem geschützt und können doch Insulin in die Blutbahn abgeben.
Innovative Beschichtungstechnologie
Durch die Nanobeschichtung werden die Inseln nicht vollständig isoliert. „Die Beschichtung muss selektiv und durchlässig genug sein, um Sauerstoff, Blut und Nährstoffe in die Zellen hinein- und die von den Inseln produzierten Insulinhormone aus den Zellen herauszulassen“, betont Rodríguez-Cabello. „Hierfür untersuchten wir die Eignung einer neuen Klasse von Materialien, so genannter ELR, elastin-like recombinamer, einer Mischform aus natürlichem Protein und Kunststoff“, fügt Rodríguez-Cabello hinzu. Die synthetisch hergestellten ELR haben proteinähnliche Eigenschaften, sodass die Inseln mit ihnen in natürlicher Umgebung wie der Bauchspeicheldrüse auf zellulärer Ebene interagieren können. Zunächst werden die Inseln in eine Lösung getaucht, die eine der Mischungskomponenten enthält. So wird im Schicht-für-Schicht-Verfahren eine sehr dünne Beschichtung erzeugt. „Nach der Entnahme werden sie kurz gereinigt, damit nur wenige Moleküle dieses Materials auf der Oberfläche verbleiben. Dann werden sie in die zweite komplementäre Komponente getaucht, die mit der ersten reagiert“, erklärt Rodríguez-Cabello. Durch das Wasch- und Tauchverfahren entsteht eine sehr dünne Schicht. „Allerdings mussten wir die Diffusionseigenschaften der Beschichtung leicht verändern, um Permselektivität zu erzeugen“, sagt Rodríguez-Cabello.
Effektive Beschichtung
Probleme bei der Beschichtung der Zellen entstanden durch die unregelmäßige Oberfläche der Insel. „Wenn verbleibende Löcher so groß sind, dass sie von Immunzellen erkannt werden, funktioniert das Konzept nicht mehr“, so Rodríguez-Cabello. Das Team entwickelte daher ein System für eine effizientere Beschichtung. „Zwar konnten wir keine Beschichtungseffizienz von 100 % erreichen, aber 80 % der implantierten Inseln sind gut beschichtet und werden lange verbleiben, was ausreicht.“ Die transplantierten Inseln müssen auch mit den Zellen der Umgebung interagieren können und sich in das Wirtsgewebe integrieren. Unterstützt wird diese Integration durch eine Methode zur Vaskularisierung von Zellen (Bildung neuer Blutgefäße), was das Überleben der Inseln und den Nährstoffaustausch verbessert. An dem multidisziplinären Projekt waren 95 Forscher beteiligt, u. a. 42 Doktoranden und Spezialisten für Nanotechnologie, Immunologie, Zellbiologie, synthetische Biologie und Biotechnologie, sowie Mediziner mit klinischem Wissen. Zum Ende des Projekts stellte die Forschergruppe ein System vor, das bei Kurzzeitexperimenten an Labortieren gut funktioniert und inzwischen patentiert ist. „Jetzt testen wir, ob die Implantate diese Fähigkeit langfristig beibehalten können, sodass eine Injektion mehrere Jahre anhält. Im Idealfall könnten dann weitere Injektionen entfallen“, schließt Rodríguez-Cabello.
Schlüsselbegriffe
ELASTISLET, Zellen, Immunsystem, Immunsuppressiva, Diabetes, Insulin, Bauchspeicheldrüse, Inselzellen, Biomaterialien