Biokompatible alginatkapsler for transplantasjon av celler Når en celle eller organ blir transplantert vil immunsystemet gå løs på det transplanterte vevet og prøve å ødelegge det. Ved å bruke alginatkapsler som immunbarriære tror vi det vil være mulig å transplantere celler uten bruk av immundempende midler som øker risikoen for infeksjoner og kreft. Mange sykdommer forårsakes av kroppens manglende evne til å produsere nødvendige molekyler som hormoner, reseptorer eller enzymer. Celleterapi har derfor et enormt potensiale som behandling av en rekke sykdommer som diabetes, kreft, Parkinsons og hypokalsemi.
Alginat som innkapslingsmateriale Ved Institutt for bioteknologi her ved NTNU har forskning på alginat pågått i over 50 år. Alginat er en gruppe ekstremt lange polysakkarider som finnes i tang og tare samt hos enkelte bakterier. I tang og tare er alginatets funksjon å gi både stabilitet og styrke til planten.
Alginat består av 50 til 200 000 enheter av de to sukkermolekylene mannuronsyre (M) og guluronsyre (G). Blokker av repeterende G enheter (G-blokker) danner hulrom som kan binde kationer som Ca2+ og kryssbinde G-blokker i andre alginatkjeder. Denne kryssbindingen resulterer i et gelnettverk. G-blokkene er dermed nødvendige for at alginatet skal kunne danne en gel med positivt ladde ioner. Sammensetningen av G og M samt lengden av alginatkjedene vil bestemme alginatets egenskaper. Kunnskap om sammenhengen mellom alginatets sammensetning og funksjon kan dermed gjøre det mulig å kontrollere alginatgelens egenskaper.
I tillegg til alginatproduksjon fra tang og tare kan alginat produseres ekstracellulært ved hjelp av bakterien Azotobacter vinelandii og enkelte Pseudomonas arter. Det siste trinnet i alginatbiosyntesen er dannelsen av G-enheter i mannuronan polymerkjeden. Denne omdannelsen, eller epimeriseringen, fra M til G katalyseres av enzymer kalt mannuronan C-5 epimeraser. Syv epimeraser fra Azotobacter vinelandii har blitt klonet, sekvensiert og uttrykt i E.coli ved Gruppe for mikrobiologi og molekylær genetikk ved Institutt for bioteknologi her ved NTNU.
De ulike epimerasene har ulik produktspesifisitet der noen danner korte G-blokker, noen danner lange G-blokker, mens andre danner MG-blokker eller en blanding av G-blokker og MG-blokker. Nye alginater med ønsket struktur kan dermed lages ved å bruke disse epimerasene. Dette gjør det videre mulig å skreddersy alginat for ulike formål. For dannelse av mikrokapsler er det for eksempel viktig å ha G-blokker tilstede for å få dannet en gelkule. Vi har imidlertid sett at den enzymatiske omdannelsen av M-blokker til MG-blokker også er gunstig for innakapsling av celler da disse fleksible MG-blokkene resulterer i redusert størrelse, økt stabilitet og redusert porøsitet av mikrokapslene.
Behandling av diabetes type 1 Insulinavhengig diabetes, eller diabetes type 1, er en autoimmun sykdom som forårsakes av ødeleggelse av insulinproduserende ß-celler i bukspyttkjertelen. Til tross for insulinbehandling vil det hos mange diabetespasienter utvikles komplikasjoner som hypoglykemi, nyresvikt og retinopati. En alternativ metode for behandling av diabetes type 1 er å transplantere friskt insulinproduserende vev (øyvev). Transplantasjon av hel bukspyttkjertel eller øyvevstransplantasjon er den eneste behandlingen som gir langvarig normalisering av blodsukkernivået uten behov for eksternt insulin.
Uten bruk av immundempende midler vil det transplanterte vevet imidlertid bli utsatt for avstøtning. Transplantasjon av hel bukspyttkjertel er et komplisert kirurgisk inngrep og blir kun brukt som behandling for et fåtall diabetespasienter. Transplantasjon av insulinproduserende øyvev fra bukspyttkjertelen ser imidlertid ut til å være en lovende behandlingsmetode da det innebærer et relativt ukomplisert kirurgisk inngrep. Etter innføring av Edmonton-protokollen for slike inngrep i 2000 økte antall vellykkede øyvevs-transplantasjoner fra 10 til 100% ett år etter transplantasjon i 7 pasienter. Over tid har imidlertid antall insulinuavhengige pasienter blitt redusert, delvis grunnet toksisitet av de immundempende medisinene. Ved å kapsle inn øyvev i alginatgel håper man å kunne eliminere bruken av disse medisinene og dermed redusere risikoen for alvorlige bivirkninger.
En annen begrensning for denne type behandling er mangel på humant øyvev. Hver transplantasjon krever 2-3 donorer for å oppnå den mengde øyvev som trengs for å helbrede diabetes. En mulig løsning på dette problemet er å bruke øyvev fra gris. Ved bruk av xenotransplantasjon vil det derimot stilles større krav til immunbarriæren rundt det transplanterte vevet. I tillegg må det tas hensyn til potensiell virusoverføring fra dyrecellene til pasienten.
Behandling av hjernesvulst I Norge får 300-400 personer diagnosen hjernesvulst (glioma) hvert år. De ondartede formene gir meget dårlige prognoser med en gjennomsnitts overlevelse på 1 år. Til tross for intensiv forskning har behandling av hjernesvulst ikke forbedret seg de siste 40 årene og antall personer som overlever etter behandlingen har vært uendret. Det er derfor et stort behov for nye behandlingsmetoder for denne sykdommen.
De siste 10 årene har rekombinant genteknologi gjort det mulig å transfektere celler med gener som koder for spesielle proteiner som kan redusere veksten av hjernesvulster. Bruken av disse cellene har så langt vært hemmet av immunsystemet som ødelegger de fremmede cellene i kroppen. Innkapsling av disse cellene i alginatkapsler kan derfor være en løsning på dette problemet. Hensikten er å utvikle et biologisk behandlingssystem som består av ulike typer produsent-celler som er kapset inn i alginatkuler. Resultatene av dette prosjektet vil kunne gi oss viktig informasjon om hvordan vi kan lage egnede alginatkapsler til transplantasjon av celler i hjernen for behandling av hjernesvulst.
