原文题目：Implantable niche with local immunosuppression for islet allotransplantation achieves type 1 diabetes reversal in rats
通讯作者：Alessandro Grattoni
隶属单位：休斯顿卫理公会研究所纳米医学系
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35629-z
临床胰岛移植（CIT）有望改变1型糖尿病（T1D）的管理。在CIT中，分离的胰岛被移植到门静脉循环中，并被动地移植到肝正弦中。由于胰岛提供动态血糖控制，CIT可显著改善血糖水平，减少低血糖事件，并减少糖尿病相关合并症的进展。然而，缺氧相关的移植物损耗和对全身免疫抑制的需求限制了其广泛的临床应用。具体而言，全身性免疫抑制具有毒性，使患者容易发生危及生命的机会性感染和肿瘤发展。事实上，与免疫抑制相关的不良反应是有害的，CIT通常仅用于已经接受免疫抑制以维持其他移植器官的患者。
图1：NICE设计和表征。
胰岛包封有望克服对毒性全身免疫抑制方案的需求。大多数包封策略依赖于物理免疫隔离;胰岛被半透材料包裹，允许氧气、营养和代谢物交换，但限制免疫细胞浸润。然而，通过封装材料和植入物内的扩散动力学受损会损害细胞的长期活力。此外，对包封材料的异物反应（FBR）会导致囊周纤维化过度生长，这进一步阻碍了传质并加剧了移植物缺氧。因此，通过外源性补氧、原位制氧、基于数学建模的设计优化、材料改性等方式，认真努力减少移植部位缺氧，以增强种植体周围血管化。尽管这些努力很有希望，但物理免疫隔离的临床成功是有限的。
图2：局部免疫抑制对血管生成的影响。
胰岛在其天然状态下血管密集，并通过胰岛内毛细血管网络分泌旁分泌信号。因此，最近的重点已转移到允许血管穿透包封材料进行直接胰岛血运重建的策略上。胰岛与血管的结合赋予它们几乎无限的氧气和营养供应，以维持代谢能力和抗糖尿病功能。然而，血管整合固有地将移植物暴露在免疫系统中，需要全身免疫抑制以防止排斥反应。
综上所述，对封装方法的需求尚未得到满足，该方法集成了简单的传质以维持移植物功能和有效的免疫逃避以防止排斥反应。为了满足这一需求，研究人员开发了新生血管植入式细胞归巢和封装（NICHE）装置。NICHE 是一种双储液器装置，集成了用于氧气和代谢物交换的直接血管化和用于胰岛排斥反应的局部免疫抑制剂输送。NICHE 中央细胞库的血管化是通过利用间充质干细胞 （MSC） 水凝胶的促血管生成特性实现的，而互连的外部药物储库的整合允许通过纳米多孔膜将免疫抑制剂直接和局部递送到细胞库中。
图3：免疫功能正常的糖尿病模型中同种异体胰岛移植的NICHE疗效测试。
在这里介绍的工作中，研究人员对NICHE进行了功效测试：一种植入式细胞封装平台，集成了直接血管化和局部免疫抑制剂递送，用于移植同种异体胰岛以治疗T1D。NICHE 旨在满足长期胰岛植入和治疗效果的关键标准，即：（i） 植入物生物相容性，（ii） 胰岛可及氧气、营养物质和代谢产物以维持功能，（iii） 免疫系统逃避以防止排斥反应，以及 （iv） 减少足迹和侵入性以提高可翻译性和患者可接受性。
NICHE 的生物相容性和生物整合对于胰岛植入和功能至关重要。研究人员探索了树脂和PA在NICE制造中的应用，因为它们通常用于植入式医疗设备。尽管两种材料都具有生物相容性和最低反应性（图1），但树脂NICHE集成不一致;只有25%的设备实现了完全集成，而PA NICHE则为100%。一般来说，材料与相邻身体组织的机械相似性越大，其集成性就越好。树脂和PA的弹性模量均比SubQ组织的弹性模量大6个数量级。树脂和PA相对于SubQ组织的刚度相似性表明该参数对材料集成几乎没有影响。相反，PA比树脂更疏水，这可能会增加巨噬细胞粘附和FBR。事实上，与树脂装置相比，研究人员观察到PA纤维化囊内的巨噬细胞含量略有增加。植入子Q材料的FBR已被用于创建用于胰岛移植的血管前部位。研究人员假设，以类似的方式，NICHE 生物整合利用 FBR 驱动血管形成进入细胞库，这通过 MSC 的组织重塑特性进一步增强。此外，树脂装置开发了薄而致密且几乎无血管的纤维化胶囊，而PA纤维化层的厚度约为2倍，但趋于松弛和血管化。这与之前的报告一致，显示材料粗糙度<1μm，例如树脂的粗糙度，促进了成纤维细胞扩散和致密的纤维化层，而用PA观察到的1-4μm的粗糙度具有相反的效果。因此，纤维化层的密度和组成，而不是厚度，可能是subQ空间中潜在植入物整合的更好指标。未来对影响植入物生物整合的特定机制的研究将阐明胰岛大胶囊化的最佳材料。最终，研究人员确认PA是NICHE制造，整合和血管化的合适材料。
图4：NICHE和IP递送的免疫调节。
胰岛通过NICHE细胞库的直接血管化实现了对氧气，营养物质的可及性和代谢产物的交换。在其天然状态下，胰岛通过胰岛内毛细血管与脉管系统紧密相连，并接受~20%的胰腺血液供应，尽管仅占器官质量的~1%。因此，研究人员的目标是创建一个微环境，通过利用植入和移植过程中MSC的促血管生成，伤口愈合和组织重塑特性来概括这种血管支持。值得注意的是，与生长因子库植入相比，使用MSCs植入设备会导致更密集和更成熟的血管网络。事实上，NICHE内设计的血管化环境有利于功能性胰岛的长期植入，在大鼠中实现超过150天的糖尿病逆转。此外，虽然胰岛移植物的低血管化在直接血管化策略中很常见，NICHE 的胰岛内血管密度高于幼稚胰腺。然而，有趣的是，移植大鼠在腹膜内葡萄糖耐量试验期间葡萄糖动力学略有延迟，在30分钟时显示峰值BG水平，而不是在健康动物中通常观察到的15分钟。这常见于肝外胰岛移植，可能归因于胰岛素直接引流到门静脉循环中;因此，延迟胰岛素从胰岛到肝脏的运输。尽管如此，这种延迟似乎对整体BG控制或动物健康没有显着的临床影响。
异体细胞和组织的移植需要逃避免疫系统以防止排斥反应。临床胰岛移植采用有效的全身免疫抑制来消除免疫反应，但代价是危及生命的不良反应，包括毒性、机会性感染和肿瘤发展。在这里，研究人员证明了使用NICHE的局部免疫抑制剂递送与全身递送大鼠异体胰岛排斥预防的临床标准一样有效。值得注意的是，NICHE 递送在移植微环境中富集了免疫抑制剂，并将全身暴露限制多达 36 倍，显着降低了潜在毒性。此外，NICHE 递送没有诱导可测量的全身免疫抑制，正如循环淋巴细胞和 Treg 的保存群体所证明的那样。这将对患者的生活质量产生重大的临床影响;不仅可以降低机会性感染的风险，还可以通过接种疫苗增强免疫系统对可预防疾病的侵害，而疫苗接种对免疫功能低下的患者缺乏疗效。最近已经探索了胰岛移植的各种局部免疫调节策略，包括蛋白质固定在生物材料表面，材料的化学修饰，药物释放生物材料的使用以及与免疫调节细胞类型的共同移植。然而，尽管有希望，但生物材料和基于细胞的策略仍然存在持续时间有限、难以补充的挑战，并且通常依赖于补充全身免疫抑制来有效消除同种异体反应。为了克服这些挑战，NICHE 专门设计用于通过集成硅胶端口进行长效释放和微创经皮再填充。这不仅允许药物补充，还可以根据需要在整个移植物生命周期内直接定制免疫抑制鸡尾酒。
图5：药物生物分布和全身免疫抑制。
局部免疫抑制需要从标准的全身性免疫抑制转变范式。在这种情况下，生物和免疫工程的进步影响了专门解决移植部位免疫排斥的定制方法，为移植领域设定了新标准。然而，本研究中提出的局部免疫抑制剂递送在很大程度上仍未得到探索。因此，研究人员决定使用一种系统有效的策略，以便在地方和系统管理之间进行直接比较。自 2000 年代初推出以来，埃德蒙顿方案（包括用淋巴细胞消耗抗体诱导，然后用西罗莫司和他克莫司维持治疗）一直用于临床胰岛移植。然而，西罗莫司和他克莫司相关的胰岛毒性使其不适合在局部环境中使用。因此，研究人员的方法需要一种免疫抑制方案，该方案有效地废除了免疫排斥反应，而不会引起胰岛毒性。使用淋巴细胞消耗诱导和共刺激阻滞维持相结合的替代免疫抑制方案可防止非人灵长类动物模型中胰岛同种异体移植排斥反应。值得注意的是，这种免疫抑制方法是肾移植排斥反应预防的标准治疗，强调了临床相关性和可转化性。因此，在这项研究中，研究人员使用ALS和CTLA4Ig对大鼠进行疗效测试。在这里，局部和全身免疫抑制都有效地阻止了同种异体胰岛排斥反应，并下调了大鼠的记忆免疫反应。然而，显著降低全身药物水平以及通过NICHE递送保存循环免疫细胞群表明局部和全身给药之间的机制差异。研究人员假设在移植微环境中使用富含NICHE的免疫抑制剂进行局部递送，其中CTLA4Ig作用于监视APC，而ALS中和浸润淋巴细胞。同时，随着Tregs的保存，这些可能对同种异体移植物的保护起协同免疫调节作用。MSCs和Treg之间的串扰相互增强这些细胞类型的免疫抑制作用，进一步促进局部免疫抑制。相比之下，全身性ALS的淋巴细胞耗竭基本上消除了IP大鼠的排斥细胞池;而随后使用高剂量 CTLA4Ig 进行维持可能会压倒共刺激信号传导并停止 T 细胞活化，即使在 Treg 降低的情况下也能防止同种异体移植排斥反应。值得注意的是，IP大鼠的血浆CTLA4Ig浓度与全身给药后人类患者报告的浓度相当。因此，由于局部递送显著限制了全身暴露，因此NICHE大鼠的同种异体移植存活不太可能仅仅是由于免疫抑制剂渗透到体循环中。
在猕猴中，期望比大鼠具有更严格的免疫屏障，将ɑCD154添加到免疫抑制鸡尾酒中。研究人员推测，对两种主要共刺激途径的串联阻断将抵消严格的，完全MHC不匹配的免疫屏障。局部IS部分消除了免疫反应，因为仅在接受IS的动物中观察到可行的产生胰岛素的胰岛，并且这些移植物的浸润白细胞比无IS对照少4倍。然而，IS和No IS动物在移植部位和外围的调节，记忆和效应T细胞的比例相似，表明免疫反应的停滞而不是调节。已记录全身性 ATG 和 ɑCD154/CD40 通路阻断联合治疗的疗效，尽管作用机制提示严重依赖继发性淋巴器官的阻断。根据研究人员的数据，局部免疫抑制应侧重于严格的淋巴细胞消耗，以阻止浸润T和B淋巴细胞，以及细胞库向免疫抑制微环境的极化（即增加Treg和M2细胞）。这应该使用作用于原位浸润细胞的药物来实现，而不是通过次级淋巴器官的免疫调节来实现。重要的是，通过NICHE在移植微环境中的药物富集为局部使用强效免疫抑制剂开辟了一条途径，其全身使用受到不良反应的限制，包括那些有可能防止自身免疫、基于抗体的排斥反应的药物。最终，这项研究的结果为探索胰岛同种异体移植物存活的局部免疫调节策略开辟了一条令人兴奋的途径。
研究人员研究的一个局限性是，并非所有大鼠都变得血糖正常，这归因于胰岛植入不足。在这项研究中，胰岛被移植在胶原基质内，该胶原基质提供临时细胞外支持以促进活力。展望未来，移植基质可以用生长因子或其他细胞外基质成分（如纤维蛋白）增强，以最大限度地提高胰岛植入。然而，值得注意的是，尽管并非所有大鼠都血糖正常，但在NICHE和IP组移植的所有动物中观察到非空腹BG的显着益处。BG的这种益处可能转化为减少外源性胰岛素需求和葡萄糖不稳定性，从而改善患者的生活质量。另一方面，两只NICHE动物意外地拒绝了它们的移植物，研究人员将其归因于设备故障。终点检查显示，这些动物在细胞储库组织中的药物水平往往低于其他有活移植物的动物，表明药物释放不足，伴随免疫抑制不足。这可能是由于膜孔隙率缺陷导致药物快速泄漏和耗尽。展望未来，在临床翻译环境中的设备制造过程中进行严格的质量控制将有助于克服这些挫折。此外，研究人员在MHC不匹配的非人灵长类动物模型中显示了局部免疫抑制延长了胰岛存活期。未来的研究应扩展到局部免疫抑制鸡尾酒的优化，随后评估非人灵长类动物T1D模型中的长期植入和糖尿病逆转疗效。最后，仅使用雄性大鼠进行功效实验，因为两性之间胰岛移植策略的普遍性在该领域不是一个已知的限制。尽管如此，最近的研究报告了胰岛生物学中基于性别的差异，其中来自女性的胰岛含有更多的胰岛素，并且比来自雄性的胰岛对离体葡萄糖刺激的反应更快。尽管值得注意的是，这些差异是否会影响体内胰岛移植的疗效仍在争论中。随着证据的不断增加，翻译管道中未来的NICHE功效和表征研究将探索基于性别的差异。
在胰岛同种异体移植的临床背景下，伴随的自身免疫对胰岛的长期存活施加了额外的障碍。理想情况下，本文介绍的胰岛同种异体移植研究可以受益于能够复制人类疾病自然史的自身免疫性糖尿病模型，包括移植后的自身免疫复发。然而，模拟自身免疫性T1D的模型，包括自发性糖尿病Wistar大鼠（BB大鼠），Komeda糖尿病易感（KDP）大鼠和非肥胖糖尿病（NOD）小鼠，远非理想。BB大鼠有异质性糖尿病的发病和疾病进展，这损害了可重复性。此外，BB大鼠是淋巴细胞减少的，可以在不需要免疫抑制方案的情况下接受同种异体移植物，直接违背了研究人员研究的基础。自身免疫性KDP大鼠模型是不可靠的，因为它在不可预测的时间发展为严重程度不一致的胰岛炎，并且只有70%的动物。NOD小鼠是T1D研究的成熟自身免疫模型。然而，自身免疫的潜在机制与人类不同，临床前研究表明临床可转化性差。此外，它们的使用将对NICHE的长期评估（即抽样频率）造成严重的技术限制。因此，在研究人员的工作中，研究人员使用了链脲佐菌素诱导的糖尿病大鼠模型，这是胰岛同种异体移植研究的临床前标准。包括那些专注于免疫抑制的人。应特别关注自身免疫T1D模型的改进，因为这反过来又有利于可翻译性评估和新细胞移植策略（如NICHE）的优化。
图6：NHE生物相容性、胰岛植入和NHP的局部免疫调节。
NICHE 旨在减少侵入性和患者负担。事实上，研究人员证明了所有与NICHE相关的程序都可以在大鼠和非人灵长类动物的门诊环境中进行。植入后，NICHE 在皮肤上留下的印记最小，并且在 PA 中制造引起的反应低于临床中经常使用的其他材料。NICHE 部署遵循精心规划的逐步过程，以允许血运前、免疫调节并最终进行胰岛植入。研究人员的部署方法符合当前的临床胰岛移植方案，其中需要胰岛血运重建和多靶点免疫抑制才能成功植入T1D管理。此外，SubQ植入允许通过微创注射轻松进行重复和直接的再填充。在这项研究中，研究人员每28天重新填充一次NICE药物储液罐，其频率与临床上可用于偏头痛预防或HIV治疗等应用的其他长效药物制剂相当。然而，通过延长免疫抑制剂释放来减少手术周期将减轻患者的负担。这可以通过减少交换表面积（例如膜孔隙率）同时增加药物负载量来实现。具体来说，具有严格控制的纳米孔尺寸小至2 nm的膜已被用于持续的药物递送。虽然最近开发的经皮再填充固体疗法有可能将加载效率提高 1000 倍。NICHE 设计的多功能性允许直接合并这些修改。使用研究人员最近开发的基于生理学的药代动力学模型可以方便地估计对药物生物分布的影响。最后，整体切除NICHE，完整的纤维化囊和胰岛保留在细胞库中，强调了可行和安全的检索。
总之，NICHE 将直接血管化和局部免疫抑制整合到一个单一的、可植入的、可补充的设备中，用于同种异体胰岛移植和长期 1 型糖尿病管理。这项研究的结果证明了NICHE在大鼠中的功效，并为该方法的持续转化发展铺平了道路。总体而言，NICHE 是一种有前途的解决方案，有可能改变胰岛移植领域，以安全和长期治疗 1 型糖尿病。
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