Ученые из США разрабатывают синтетические бета-клетки поджелудочной железы, которые в ближайшем будущем помогут справиться с сахарным диабетом.
На страницах журнала Nature Chemical Biology сотрудники Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл и их коллеги из Университета штата Северная Каролина в Роли сообщили о создании искусственного аналога инсулинпродуцирующего аппарата поджелудочной железы.
Искусственные клетки способны тонко регулировать уровень глюкозы в крови, выбрасывая требуемое количество инсулина в ответ на гипергликемию.
Руководитель проекта профессор биомедицинского инжиниринга Жень Гу и его сотрудники надеются, что в один прекрасный день синтетические бета-клетки можно будет использовать в форме неинвазивного и безопасного пластыря для лечения сахарного диабета.
Американские ученые обнаружили, что единственная инъекция синтетических бета-клеток позволяет контролировать сахар в крови у диабетических мышей в течение 5 дней!
Напомним, сахарный диабет – это метаболическое заболевание, которое развивается при нарушении продукции или функций гормона инсулина.
Из-за недостаточной выработки инсулина или снижения чувствительности клеток к нему (инсулинрезистентность) молекулы глюкозы не в состоянии проникать внутрь клеток. Таким образом, клетки лишаются энергии, а концентрация глюкозы (сахара) в крови аномально возрастает.
Инсулин продуцируется специализированными клетками поджелудочной железы – так называемыми бета-клетками. Продукция инсулина зависит от концентрации глюкозы в крови и представляет собой тонко настроенный механизм обратной связи.
При сахарном диабете I типа проблема заключается в гибели инсулинпродуцирующих клеток, поэтому его еще называют инсулинозависимой формой заболевания. При сахарном диабете II типа в основе болезни лежит инсулинрезистентность – снижение чувствительности клеток к инсулину. Последняя форма наиболее распространена и тесно связана с ожирением.
Потребность в неинвазивной доставке инсулина
В Соединенных Штатах сахарным диабетом страдает около 30 миллионов человек, причем 6 миллионов вынуждены прибегать к инъекциям инсулина или инсулиновым помпам.
На протяжении многих лет предпринимались попытки создания такой формы лечения сахарного диабета, при которой больные могли бы отказаться от уколов. Но пищеварительная система быстро разрушает крупную молекулу инсулина, поэтому «инсулин в таблетках» так и остался недостижимой мечтой фармакологов и диабетиков.
Некоторые случаи диабета можно лечить трансплантированными клетками поджелудочной железы. Однако эти методы лечения являются дорогостоящими, нуждаются в иммуносупрессорах, сопряжены с многочисленными послеоперационными рисками и зависят от донорских клеток поджелудочной железы, которых даже в США собирают слишком мало.
Несмотря на удивительные возможности трансплантации бета-клеток, эффект хирургического лечения диабета недолговечен: пересаженные клетки погибнут в любом случае, поэтому через несколько лет потребуется новая пересадка.
Авторы последнего исследования поясняют: биоинженеры неоднократно пытались «воссоздать ключевые функции» бета-клеток поджелудочной железы в терапевтических целях. Они приводят примеры, такие как наночастицы с медленным высвобождением лекарственного вещества на основе клеточных мембран и микрогелей.
Синтетические бета-клетки станут умнее
Общая проблема старого подхода к имитации бета-клеток заключалась в «односекционной» структуре и их «относительно пассивном» взаимодействии с организмом человека.
Некоторые пытались создать многокомпонентные структуры по доставке инсулина, но до сегодняшнего дня никому не удалось имитировать функции бета-клеток более высокого порядка. Иными словами, разработать автономную, саморегулирующуюся систему с обратной связью.
Открытие профессора Гу венчает 10-летнюю работу над проблемой. В результате получилась синтетическая бета-клетка, тонко имитирующая ключевые процессы инсулинпродуцирующего аппарата поджелудочной железы.
Синтетическая бета-клетка имеет простую клеточную стенку с двойной липидной мембраной, внутри которой содержатся микровезикулы («пузырьки») с инсулином. Кроме структуры «везикул в везикуле» ученые разработали систему метаболизма и мембранного синтеза инсулина, обеспечивающие автономность и саморегуляцию клеток.
Диабетические мыши не нуждались в инсулине
Когда система метаболизма глюкозы «ощущает» повышение сахара в крови, она инициирует изменение внутри микровезикул. Пузырьки начинают сливаться с клеточной мембраной и выделяют необходимое количество инсулина.
«Насколько нам известно, эта синтетическая система является первой в своем роде, способной ощущать уровень глюкозы и секретировать инсулин посредством везикулярного слияния. Мы уже протестировали систему на мышах с отсутствующими бета-клетками, и были вполне удовлетворены результатами», — говорит профессор Гу.
После введения синтетических бета-клеток уровень сахара у диабетических мышей приходил в норму в течение часа, и оставался в допустимых пределах 5 дней после инъекции.
В настоящее время ведутся дополнительные испытания, которые позволят использовать искусственный инсулинпродуцирующий аппарат в кожных пластырях.
Перспективы технологии просто умопомрачительные: больному достаточно наклеить пластырь, чтобы на несколько дней забыть о приеме таблеток и инъекциях инсулина!
И на этом ученые не останавливаются, намереваясь сделать фармакологический эффект еще более длительным, а терапию более удобной для пациентов.
Можно сказать одно: наши потомки будут видеть инсулиновые помпы только в музее.
