En nypa frisk luft håller läkemedelsproducerande celler vid liv längre

En jämförelse sida vid sida mellan celler som stöds av syresättningsanordningen (vänster) och celler utan stöd av anordningen (höger). Levande celler visas i grönt, döda celler i rött. Kredit: Jonathan Rivnay/Northwestern University
En jämförelse sida vid sida mellan celler som stöds av syresättningsanordningen (vänster) och celler utan stöd av anordningen (höger). Levande celler visas i grönt, döda celler i rött. Kredit: Jonathan Rivnay/Northwestern University

År 2021 började en forskargrupp ledd av Northwestern University att arbeta med att utveckla ett implanterbart ”levande apotek” för att styra människokroppens sömn- och vakenhetscykler. Nu har forskarna tagit ett stort steg mot att uppnå detta mål.

I ett nytt arbete har forskarna utvecklat en ny anordning som producerar syre på plats för att hålla cellerna vid liv inuti det fristående implantatet. Syre är en viktig ingrediens för att hålla cellerna vid liv – och välmående – under längre tidsperioder inuti det implanterbara apoteket. Ju längre cellerna kan hålla sig vid liv och friska, desto längre kan de nämligen självständigt producera läkemedel för kroppen.

Genom att använda elektricitet för att dela upp vatten som cellerna redan badar i kunde forskarna producera syre och samtidigt undvika att skadliga biprodukter som klor eller väteperoxid bildades. Och genom att kontrollera mängden elektricitet som används kunde forskarna ändra hur mycket syre som produceras.

I nya experiment höll den nya anordningen (kallad ”electrocatalytic on-site oxygenator” eller ”ecO2”) celler (70-80%) vid liv i nästan en månad under syrefattiga förhållanden in vitro eller i veckor in vivo. Utan ecO2 var endast ca 20% av cellerna vid liv efter 10 dagar, men forskarna antar att cellerna skulle förlora sin förmåga att utsöndra läkemedel långt innan dess. Med framsteg inom trådlös kraft och kommunikation är forskarna övertygade om att kronisk drift under flera månader eller mer är inom räckhåll.

Forskningen, ”Electrocatalytic on-site oxygenation for transplanted cell-based therapies”, publiceras i Nature Communications.

”Vår enhet kan användas för att förbättra resultaten av cellbaserade terapier, som använder biologiska celler för att behandla sjukdomar eller skador i kroppen”, säger Jonathan Rivnay från Northwestern, som var med och ledde studien.

”Cellbaserade terapier kan användas för att ersätta skadade vävnader, för läkemedelstillförsel eller för att förstärka kroppens egna läkningsmekanismer, vilket öppnar möjligheter inom sårläkning och behandlingar av till exempel fetma, diabetes och cancer. Att generera syre på plats är avgörande för många av dessa ”biohybrid”-cellterapier. Vi behöver många celler för att ha tillräcklig produktion av läkemedel från dessa celler, vilket innebär att det finns ett högt metaboliskt behov. Vår metod skulle integrera ecO2-enheten för att generera syre från själva vattnet.”

Rivnay är professor i biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering och huvudutredare för NTRAIN-projektet (Normalizing Timing of Rhythms Across Internal Networks of Circadian Clocks). Han ledde den nya studien tillsammans med Tzahi Cohen-Karni, professor i biomedicinsk teknik och materialvetenskap och teknik vid Carnegie Mellon University (CMU). De andra förstaförfattarna till studien är Abhijith Surendran från Northwestern och Inkyu Lee från CMU.

Ett implantat med längre livslängd

I slutändan är målet med den implanterbara ”levande apoteksstrategin” att utveckla enheter som aldrig får slut på läkemedel. Då kommer människor aldrig att behöva oroa sig för att komma ihåg att ta sin medicin eller injicera läkemedel. Men för att detta ska fungera framgångsrikt måste implantatet hålla under långa tidsperioder utan att behöva fyllas på.

Genom att kombinera syntetisk biologi med bioelektronik leder Northwestern ett samarbete med Omid Veiseh, professor i biomedicinsk teknik vid Rice University, för att producera läkemedlen på plats i enheten. Att hålla dessa konstruerade celler vid liv är ett avgörande steg i utvecklingen av dessa potentiellt livräddande enheter. Även om tidigare forskning har undersökt strategier för att leverera syre till celler, har dessa metoder använt skrymmande utrustning som är opraktisk för användning inuti människokroppen.

”Vissa metoder introducerar gasformigt syre från utsidan av kroppen för att tackla detta problem. Det är ungefär som att använda en dykflaska när man dyker”, säger Surendran. ”Den är skrymmande. Man måste bära runt på den. Luften kan ta slut och det finns en hög risk för gasemboli.”

Skippa dykflaskan

För att komma förbi behovet av opraktisk utrustning vände sig forskarna till vattendelning, en populär strategi för energiomvandling och lagring. Andra forskare har till exempel undersökt möjligheten att dela upp vatten i väte och syre för att använda väte som bränsle. Dessa tekniker fokuserar dock på vattenklyvning vid alkaliska eller sura förhållanden. Rivnays team är å andra sidan mer intresserade av syreproduktion vid förhållanden som är jämförbara med dem i människokroppen.

Hemligheten bakom teamets nya ecO2-enhet är sputtrad iridiumoxid, en framgångsrik elektrokatalysator som också har använts i biomedicinska tillämpningar. Inuti enheten lever cellerna redan i en vätska av vatten, salter och näringsämnen. Iridiumoxid hjälper till att driva en elektrokemisk reaktion vid låg spänning för att leverera syre med hjälp av det redan tillgängliga vattnet i biovätskor. Elektriciteten delar upp vattnet i väte och syre.

”Det är lika enkelt som ett kemi 101-experiment som vi alla gjorde som barn”, säger Rivnay. ”Man leder elektricitet genom vatten och det bildas bubblor vid metallerna, och vattnet delas upp i syre och väte. Vi gör samma sak, men på ett smartare sätt. Genom att använda unika material kan vi producera syre mer effektivt och med lägre energiförbrukning. Och i vår enhet bildar vi inga syrebubblor. Vi använder våra enheter under förhållanden där det genererade syret löses upp i vatten – utan bubblor.”

I experiment genererade ecO2 tillräckligt med syre för att hålla tätt packade celler (60.000 celler per kubikmillimeter) vid liv under hypoxiska förhållanden. Dessa resultat visar att ecO2-enheter enkelt kan integreras i bioelektroniska plattformar, vilket möjliggör höga cellbelastningar i mindre enheter med bred tillämpbarhet.

Utan ecO2 gick kontrollcellerna en snabb död till mötes.

”Den celldensitet som användes i vår studie är ungefär sex gånger högre än den genomsnittliga celldensiteten för pankreasöar som rapporterats i litteraturen”, säger Surendran. ”Den normala syrekoncentrationen i blodet är inte tillräcklig för att upprätthålla deras livskraft under längre perioder. Efter den första veckan förlorade 70% av cellerna i kontrollenheterna sin funktionalitet. För de återstående 30% tog det ytterligare cirka 10 dagar innan de förlorade sin funktionalitet.”

Därefter kommer Rivnay och hans medarbetare att fokusera på långsiktig driftsättning av ecO2. Mer specifikt arbetar de med mycket stabila material som kan användas inuti kroppen i flera månader i taget – och i slutändan använda detta tillvägagångssätt för att behandla kroniska sjukdomstillstånd.

”Vi tror att den här tekniken kommer att möjliggöra mindre, mer potenta cellterapier och reglerade cellterapienheter”, säger Rivnay. ”Vårt mål är att översätta denna teknik till klinik. Vi undersöker för närvarande olika sjukdomsmodeller.”

Ytterligare information: Electrocatalytic on-site oxygenation for transplanted cell-based therapies, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42697-2

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.