Cientistas otimizam triagem de biomateriais e identificam formulações ‘vencedoras’ — Strong The One

O bioengenheiro da Rice University, Omid Veiseh, e seus colaboradores identificaram novas formulações de biomateriais que podem ajudar a virar a página no tratamento do diabetes tipo 1, abrindo as portas para uma maneira mais sustentável, autorregulada e de longo prazo de lidar com a doença.

Para fazer isso, eles desenvolveram uma nova técnica de triagem que envolve marcar cada formulação de biomaterial em uma biblioteca de centenas com um “código de barras” exclusivo antes de implantá-los em indivíduos vivos.

De acordo com o estudo em Natureza Engenharia Biomédica, usando uma das formulações de alginato para encapsular células de ilhotas secretoras de insulina humana forneceu controle do nível de açúcar no sangue a longo prazo em camundongos diabéticos. Cateteres revestidos com dois outros materiais de alto desempenho não entupiram.

“Este trabalho foi motivado por uma grande necessidade não atendida”, disse Veiseh, professor assistente de bioengenharia da Rice e pesquisador do Instituto de Pesquisa e Prevenção do Câncer do Texas. “Em pacientes com diabetes tipo 1, o sistema imunológico do corpo ataca as células produtoras de insulina do pâncreas. À medida que essas células são mortas, o paciente perde a capacidade de regular a glicose no sangue.”

Durante décadas, os cientistas trabalharam em direção ao que Veiseh chamou de “objetivo do ‘santo graal’ de abrigar as células das ilhotas dentro de uma matriz porosa feita de um material protetor que permitiria às células acessar oxigênio e nutrientes sem serem atacadas pelo sistema imunológico do hospedeiro”.

No entanto, materiais com biocompatibilidade ideal mostraram-se muito difíceis de encontrar, em parte devido a restrições de triagem. Por um lado, a resposta do sistema imunológico a um determinado biomaterial implantado só pode ser avaliada em um hospedeiro vivo.

“O problema é que a resposta imune precisa ser investigada dentro do corpo desses camundongos diabéticos, não em um tubo de ensaio”, disse Boram Kim, aluno de pós-graduação do laboratório Veiseh e coautor do estudo. “Isso significa que, se você deseja rastrear essas centenas de moléculas de alginato, precisa ter centenas de cobaias em animais. Nossa ideia era rastrear centenas de biomateriais ao mesmo tempo, na mesma cobaia.”

Por outro lado, diferentes formulações de biomateriais parecem iguais, tornando impossível identificar as de alto desempenho na ausência de alguma característica reveladora. Isso inviabilizou o teste de mais de um biomaterial por hospedeiro.

“São materiais diferentes, mas parecem iguais”, disse Veiseh. “E uma vez que eles são implantados no corpo de uma cobaia e depois retirados novamente, não podemos distinguir entre os materiais e seríamos incapazes de identificar qual formulação de material funcionou melhor”.

Para superar essas restrições, Veiseh e seus colaboradores criaram uma maneira de marcar cada formulação de alginato com um ‘código de barras’ exclusivo que lhes permitia identificar aquelas com melhor desempenho.

“Nós emparelhamos cada biomaterial modificado com células endoteliais da veia umbilical humana (HUVEC) de um doador diferente”, disse Kim.

“As células HUVEC, porque vêm de doadores únicos, atuam como um código de barras que nos permite dizer qual material foi usado inicialmente”, acrescentou Veiseh. “Os vencedores são aqueles que possuem células vivas. Uma vez que os encontramos, sequenciamos o genoma dessas células e descobrimos qual material foi emparelhado com ele. Foi assim que descobrimos os maiores sucessos.”

Estão em andamento ensaios para o uso de células de ilhotas derivadas de células-tronco em pacientes diabéticos. No entanto, os tratamentos atuais das ilhotas requerem imunossupressão, tornando-se uma maneira difícil de tratar o diabetes tipo 1.

“Atualmente, para usar células de ilhotas implantadas em pacientes diabéticos, é preciso suprimir todo o sistema imunológico, como se você estivesse tentando fazer um transplante de órgão”, disse Veiseh. “Isso traz muitas complicações para o paciente.

“Eles podem desenvolver câncer, não podem combater infecções, então, para a grande maioria dos pacientes, é melhor realmente fazer a terapia com insulina onde eles se injetam. Com essa estratégia de encapsulamento de biomaterial, nenhuma imunossupressão é necessária.”

Colocar células HUVEC reais dentro das cápsulas de biomateriais aumentou a probabilidade de o sistema imunológico do hospedeiro detectar uma presença estranha. Isso torna o experimento mais robusto do que simplesmente testar a resposta imune apenas aos biomateriais.

“Queríamos testar uma biblioteca desses materiais, com a pressão de seleção de ter células dentro das esferas que torna mais difícil para o material não ser notado pelo sistema imunológico”, disse Veiseh. “Há muito interesse de todos os fabricantes de células de ilhotas em poder se livrar da imunossupressão e, em vez disso, usar essas matrizes de hidrogel de alginato para proteger as células implantadas”.

A nova abordagem de “código de barras” de alto rendimento pode ser implantada para rastrear outras aplicações médicas usando menos sujeitos de teste ao vivo.

“Isso realmente alimenta muitos outros projetos em meu laboratório, onde estamos fazendo produção biológica de células para outras indicações de doenças”, disse Veiseh. “As mesmas modificações podem ser aplicadas a todos os tipos de materiais que entram no corpo. Isso não se limita apenas ao transplante de células. A tecnologia que desenvolvemos pode ser combinada com muitos conceitos de dispositivos diferentes.

“Por exemplo, alguns pacientes diabéticos usam sistemas de bomba automatizados para auto-administrar insulina. Os cateteres nesses sistemas de bomba precisam ser substituídos a cada poucos dias porque ficam entupidos. Conseguimos mostrar que revestir os cateteres com esses novos materiais evitou o entupimento .”

“Com esta nova tecnologia de código de barras baseada em células, a pesquisa de biomateriais acaba de receber um impulso sem precedentes que irá acelerar a tradução para produtos clinicamente aplicáveis ​​e torná-la mais acessível”, disse o Dr. José Oberholzer, cirurgião de transplante e bioengenheiro da Universidade da Virgínia. .

“Esta é uma verdadeira mudança de paradigma. Com este método, podemos agora rastrear centenas de biomateriais de uma só vez e selecionar aqueles que o corpo humano não rejeita. Podemos proteger os enxertos celulares das agressões do sistema imunológico, sem a necessidade de imunossupressores medicamentos”, acrescentou Oberholzer.

O ex-professor de bioengenharia da Rice e atual CEO da NuProbe nos EUA, David Zhang, observou que “o sequenciamento de DNA de alto rendimento revolucionou muitos campos biomédicos”.

“Tenho o prazer de trabalhar com a Omid para permitir o desenvolvimento de biomateriais aprimorados usando a experiência de minha equipe em sequenciamento de DNA”, acrescentou Zhang, co-investigador da concessão. “Esses biomateriais aprimorados podem permitir que as terapias celulares implantadas duráveis ​​funcionem como fábricas de medicamentos vivos e podem ter um impacto positivamente disruptivo em pacientes com uma variedade de doenças crônicas”.

Os Institutos Nacionais de Saúde (R01 DK120459), JDRF (3-SRA-2021-1023-SB), a National Science Foundation (CBET1626418), a Rice University Academy Fellowship e a Rice’s Shared Equipment Authority apoiaram a pesquisa.