“ออกซิเจนสำหรับเซลล์”: อุปกรณ์ฝังที่เรียบง่ายช่วยลดระดับน้ำตาลโดยไม่ต้องใช้ยาแรง

บทความ Nature Communicationsได้อธิบายถึงอุปกรณ์ฝัง “ออกซิเจน” แบบใหม่สำหรับการรักษาโรคเบาหวานชนิดที่ 1 ว่าคือเครื่องกำเนิดออกซิเจนไฟฟ้าเคมีขนาดกะทัดรัด (iEOG) ที่จ่าย O₂ ให้กับมาโครแคปซูลที่มีเซลล์ที่หลั่งอินซูลินอย่างต่อเนื่อง ระบบนี้ช่วยให้เซลล์ไอส์เลตที่แยกตัวออกมาเรียงตัวกันอย่างแน่นหนา (สูงถึง 60,000 IEQ/มล.) และยังคงความมีชีวิตและการหลั่งอินซูลินแม้ในสภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ ในหนูที่เป็นโรคเบาหวาน อุปกรณ์ที่ฝังไว้ใต้ผิวหนังสามารถรักษาระดับน้ำตาลให้เป็นปกติได้นานถึงสามเดือน โดยไม่เกิดภาวะภูมิคุ้มกันบกพร่อง หนูกลุ่มควบคุมที่ไม่ได้รับออกซิเจนยังคงมีระดับน้ำตาลในเลือดสูง

พื้นหลัง

• ปัญหาทางเทคนิคหลักคือออกซิเจนทันทีที่เรา “ซ่อน” เซลล์ไว้หลังเยื่อหุ้มเซลล์และนำอุปกรณ์ไปไว้ใต้ผิวหนัง (ซึ่งสกัดออกมาได้อย่างสะดวกและง่ายดาย) เซลล์เหล่านั้นก็จะขาดออกซิเจน การแพร่กระจายผ่านเยื่อหุ้มเซลล์และบริเวณที่มีหลอดเลือดไม่เพียงพอนั้นไม่สามารถตอบสนองความต้องการของเซลล์เกาะที่ “หิวโหย” ได้ ดังนั้นจึงเกิดการตายก่อนกำหนด การทำงานที่อ่อนแอ และความจำเป็นในการทำให้เมล็ดบางลงอย่างมาก มิฉะนั้นแคปซูลจะกลายเป็นแคปซูลขนาดใหญ่
• ทำไมมันจึงยากลำบากทางกายภาพนัก? ออกซิเจนจะผ่านเนื้อเยื่อได้เพียงระยะทางสั้นๆ และเซลล์ที่ถูกห่อหุ้มจะไม่มีหลอดเลือดของตัวเอง ในช่วงเดือนแรกๆ พวกมันจะมีชีวิตอยู่ได้เนื่องจากการแพร่แบบพาสซีฟเท่านั้น การเพิ่มความหนาของวัสดุหรือการ "อัดแน่น" ของเซลล์จะทำให้ศูนย์กลางของแคปซูลเกิดภาวะพร่องออกซิเจนอย่างรวดเร็ว
• คุณเคยลองอะไรมาก่อนหรือไม่?
  • พวกเขาผลิตอุปกรณ์ขนาดใหญ่ที่สามารถเติมออกซิเจนได้ (เช่น βAir) โดยมีถังเก็บออกซิเจนอยู่ภายในซึ่งจะถูกเติมออกซิเจนทุกวัน มีการทดลองทั้งก่อนการทดลองทางคลินิกและการทดลองทางคลินิกในระยะเริ่มต้น วิธีนี้ได้ผล แต่ผู้ป่วยต้องใช้แรงงานมาก
  • มีการทดลองใช้สารให้ O₂ ทางเคมีและวัสดุ "ตัวพา" (สารประกอบเพอร์ฟลูออโร) ซึ่งช่วยได้ แต่ให้ผลสั้นและควบคุมได้ยาก นอกจากนี้ยังมีกรอบ "อากาศ" สำหรับเร่งการนำ O₂ เข้าสู่ความหนาของเจลด้วย
  • แคปซูลเองและตำแหน่งการฝัง (เยื่อบาง การสร้างหลอดเลือดล่วงหน้า) ได้รับการปรับปรุงแล้ว แต่เนื่องจากไม่มีแหล่ง O₂ จากภายนอก จึงยังคงมีความหนาแน่นของเซลล์เกินขีดจำกัด
• งานวิจัยชิ้นใหม่นี้เติมเต็มช่องว่างใดในปริศนา? ผู้เขียน Nature Communications แสดงให้เห็นถึงการจ่ายออกซิเจนอย่างต่อเนื่องจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กภายในระบบมาโครเอนแคปซูเลชัน อุปกรณ์นี้จะดูดน้ำจากเนื้อเยื่อและปล่อยออกซิเจนออกมาด้วยไฟฟ้าเคมี ซึ่งจะ “หายใจ” ไปตามแคปซูลพร้อมกับเซลล์อย่างสม่ำเสมอ แนวคิดคือการให้แคปซูลมี “คอมเพรสเซอร์ในตู้ปลา” ของตัวเอง เพื่อให้สามารถบรรจุเซลล์ได้มากขึ้นและยังคงรักษาเซลล์ให้มีชีวิตและทำงานได้ แม้จะอยู่ในบริเวณใต้ผิวหนังที่ไม่ค่อยมี “ออกซิเจน” มากนักก็ตาม

เหตุใดจึงจำเป็นเช่นนี้?

การปลูกถ่ายเซลล์ไอส์เล็ตหรือเซลล์เบต้าเป็นหนึ่งในหนทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดในการ “รักษาแบบองค์รวม” สำหรับโรคเบาหวานชนิดที่ 1 แต่มีอุปสรรคสำคัญสองประการ:

1. ภูมิคุ้มกัน - โดยปกติต้องใช้ยากดภูมิคุ้มกันตลอดชีวิต
2. ภาวะขาดออกซิเจน - แคปซูลที่ปกป้องระบบภูมิคุ้มกันจะตัดเซลล์ออกจากหลอดเลือดในเวลาเดียวกัน และเซลล์เบต้าที่กระหายออกซิเจนก็ "ขาดอากาศหายใจ" อย่างรวดเร็ว งานวิจัยใหม่นี้เจาะลึกถึงอุปสรรคประการที่สอง นั่นคือการให้แคปซูลมีแหล่งออกซิเจนที่ควบคุมได้

การทำงานของรากเทียม

• สองส่วน ในตัวเรือนไทเทเนียมมีเครื่องกำเนิดออกซิเจนขนาดเล็ก (iEOG) ซึ่งสกัดน้ำออกจากของเหลวในเนื้อเยื่อและปลดปล่อย O₂ ด้วยวิธีอิเล็กโทรไลซิส ถัดมาเป็นแคปซูลเชิงเส้นบางๆ ที่มีเซลล์ (คล้ายกับ "ไส้กรอก") ยาวๆ ซึ่งมีท่อที่ก๊าซซึมผ่านได้ผ่านเข้าไป ออกซิเจนจะถูกดูดซับอย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งแคปซูล ระหว่างเซลล์และเนื้อเยื่อมีเยื่อกึ่งซึมผ่านได้ (อิเล็กโทรสปิน + อัลจิเนต) กลูโคสและอินซูลินผ่านเข้าไปได้ แต่เซลล์ภูมิคุ้มกันไม่ผ่าน
• ขนาด: iEOG รุ่นที่สองมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 13 มม. หนา 3.1 มม. และมีน้ำหนักประมาณ 2 กรัม เมื่อใช้ร่วมกับแคปซูล ระบบดังกล่าวสามารถใส่และนำออกได้ผ่านแผลขนาดเล็ก ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญเพื่อความปลอดภัย
• ผลผลิต เครื่องกำเนิดไฟฟ้าผลิตออกซิเจนได้ ~1.9–2.3 ลูกบาศก์เซนติเมตรต่อชั่วโมง และรักษาอัตราการไหลที่กำหนดได้นานหลายเดือนหรือหลายปี (ในการทดสอบระยะยาวในน้ำเกลือ – นานถึง 2.5 ปี) และหลังจากฝังในหนูแล้ว อัตราการไหลดังกล่าวก็ยังคงอยู่ อัตราการไหลนี้คำนวณมาเพื่อให้ครอบคลุมความต้องการของเกาะเล็กเกาะน้อยหลายแสนแห่ง ซึ่งเทียบเท่ากับปริมาณที่มนุษย์ต้องการ

สิ่งที่การทดลองแสดงให้เห็น

• ในหลอดทดลอง: ที่ระดับ O₂ 1% (ภาวะขาดออกซิเจนรุนแรง) การเติมออกซิเจนช่วยรักษาความมีชีวิตและการหลั่งใน INS-1 มวลรวมและในเกาะของมนุษย์ที่บรรจุอยู่ในชั้นที่มีความหนาแน่นมาก (60,000 IEQ/mL)
• ในสัตว์ทดลอง (หนู) หลังจากการฝังใต้ผิวหนังในแบบจำลองโรคเบาหวานจากพันธุกรรมอื่น ระบบ iEOG สามารถปรับระดับน้ำตาลในเลือดให้เป็นปกติได้นานถึง 3 เดือนโดยไม่เกิดภาวะภูมิคุ้มกันบกพร่อง อุปกรณ์ที่ไม่มีออกซิเจนไม่มีผลใดๆ ผลการตรวจทางจุลกายวิภาครอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไม่พบอาการไม่พึงประสงค์ที่มีนัยสำคัญ

เหตุใดสิ่งนี้จึงสำคัญสำหรับคลินิก?

• ก้าวสู่ “มิติที่สมจริง” เพื่อให้ผู้ใหญ่ได้รับยา 300–770,000 IEQ แคปซูลจะต้องถูกบรรจุอย่างแน่นหนา ซึ่งปกติแล้วจะถูกจำกัดด้วยออกซิเจน การควบคุมปริมาณออกซิเจนจะช่วย “ขจัดขีดจำกัด” ของความหนาแน่น และเปิดโอกาสให้อุปกรณ์มีขนาดกะทัดรัดเพียงพอสำหรับการฝังจริง
• บวกกับความสะดวกสบาย ก่อนหน้านี้เราได้ลองใช้สารให้ออกซิเจนทางเคมี (เปอร์ออกไซด์) ซึ่งออกฤทธิ์ได้ไม่นานและควบคุมไม่ได้ รวมถึงแหล่งกักเก็บออกซิเจนที่มีการ "เติม" ออกซิเจนผ่านผิวหนังทุกวัน ซึ่งยุ่งยากและไม่สะดวก ในกรณีนี้ ออกซิเจนจะถูกส่งอย่างต่อเนื่องในปริมาณที่กำหนด โดยไม่ต้องฉีด

รายละเอียดทางเทคนิคที่น่าประทับใจ

• แหล่งที่มาของน้ำคือเนื้อเยื่อ iEOG ดูดไอของของเหลวในเนื้อเยื่อผ่าน "หน้าต่าง" ที่มีรูพรุน จากนั้นใช้ชุดอิเล็กโทรดเมมเบรนแบบคลาสสิก (MEA) และแรงดันไฟฟ้า 1.4–1.8 V เพื่อแยกน้ำออกเป็น H₂ และ O₂ จากนั้นก๊าซจะถูกกำจัดออกผ่านช่องทางต่างๆ
• ความทนทาน อุปกรณ์สามชิ้นในน้ำเกลือทำงานด้วยไฟฟ้ากระแสตรงเป็นเวลา 11 เดือน 2 ปี และ 2.5 ปี โดยไม่เสื่อมสภาพจากการไหลของออกซิเจน หลังจากฝังในหนูที่มีภูมิคุ้มกันบกพร่องและมีภูมิคุ้มกันปกติ ประสิทธิภาพยังคงเดิม

ข้อจำกัดและ "อะไรต่อไป"

สิ่งนี้ยังอยู่ในช่วงก่อนการทดลองทางคลินิก: หนู ความหนาแน่นสูงในแคปซูล อุปทานออกซิเจน ทุกอย่างยอดเยี่ยม แต่การทดสอบที่สำคัญกำลังรออยู่ข้างหน้า:

• การปรับขนาดให้เหมาะกับปริมาณและกรอบเวลาของมนุษย์
• ความน่าเชื่อถือและแหล่งจ่ายไฟของนักเคมีไฟฟ้าในร่างกายมนุษย์เป็นเวลาหลายปี (สถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟไม่ได้มีรายละเอียดในบทความ)
• การลดการเกิดพังผืดรอบแคปซูลและเสถียรภาพการแพร่กระจาย
• การทดสอบกับเซลล์ต้นกำเนิดเบต้าและในแบบจำลองที่ใกล้เคียงกับมนุษย์มากขึ้น ผู้เขียนได้เปรียบเทียบโซลูชันของตนกับวิธีการก่อนหน้าอย่างเปิดเผย และกำหนดตำแหน่งให้เป็นแพลตฟอร์มสำหรับแคปซูลที่สามารถแปลผลทางคลินิกได้

บทสรุป

เพื่อให้เซลล์เบต้าที่ปลูกถ่ายสามารถดำรงชีวิตและทำงานได้โดยไม่ต้องพึ่งยากดภูมิคุ้มกัน เซลล์จำเป็นต้องหายใจ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์และพันธมิตรได้แสดงให้เห็นว่าเครื่องผลิตออกซิเจนขนาดเล็กที่ติดตั้งอยู่ในแคปซูลเชิงเส้นสามารถ “ป้อน” ออกซิเจน (O₂) ให้กับเซลล์ได้นานและสม่ำเสมอเพียงพอที่เซลล์จะทนต่อความหนาแน่นสูงและลดระดับน้ำตาลได้ แม้ในตำแหน่งใต้ผิวหนัง คลินิกยังต้องพัฒนาอีกมาก แต่หลักการทางวิศวกรรมนั้นเรียบง่ายและสวยงาม นั่นคือการให้อากาศแก่เซลล์ในจุดที่ขาดหายไป