Studio della vitalità e della sopravvivenza cellulare in cellule beta pancreatiche immunoisolate in membrane di alginato

Il principale fattore limitante l’utilizzo in campo clinico di isole microincapsulate è la sopravvivenza temporanea, e mai permanente delle cellule trapiantate.
Tre sembrano essere i principali fattori alla base di questo limite: l’incompleta immunoprotezione fornita dalle microcapsule, la limitata disponibilità di ossigeno e la scarsa biocompatibilità dei dispositivi di immunoprotezione (De Groot et al., 2003).

- Incompleta immunoprotezione
Sebbene le microcapsule agiscano da barriera impenetrabile alle cellule del sistema immunitario e alle molecole di grandi dimensioni, non sono però in grado di ostacolare l’entrata di piccole molecole dal torrente circolatorio verso le cellule contenute all’interno e la fuoriuscita di fattori bioattivi ed antigeni provenienti dalle cellule stesse (Strand et al., 2001).
Alcune classi di citochine quali TNF-α e INF-γ ed alcuni radicali come l’ossido nitrico sono un esempio di piccole molecole in grado di diffondere all’interno delle membrane e di determinare l’attivazione di risposte citotossiche ad opera di macrofagi e linfociti.
I meccanismi conseguenti all’attivazione di queste cellule possono determinare la lisi delle microcapsule, andando così a compromettere la funzionalità e la vitalità delle cellule beta immunoisolate (Laeschke et al., 2004).
La diffusione dall’interno delle microcapsule verso il torrente circolatorio di altre classi di piccole molecole (per esempio i fattori bioattivi MCP-1, IL-6, NO ecc.) determina, invece, l’insorgenza di processi infiammatori attorno alle microcapsule stesse e reazioni volte alla distruzione del materiale di incapsulamento, riconosciuto come corpo estraneo (Vannini, 2002).

- Ipossia
A livello del pancreas le isole di Langerhans sono organizzate in cordoni di cellule secernenti sostenuti da una fine trama reticolare a contatto con sottili capillari fenestrati, che favoriscono i normali scambi di nutrienti e gas respiratori e garantiscono, così, un’ottima vitalità cellulare.
La presenza di microcapsule attorno alle isole trapiantate previene, invece, i processi di rivascolarizzazione e, essendo il peritoneo una parte anatomica scarsamente vascolarizzata dove gli scambi di ossigeno avvengono solo passivamente, la diffusione di questa molecola attraverso le membrane immunoprotettive è molto scarsa. Dal momento che per garantire le condizioni di sopravvivenza cellulare l’ossigeno dovrebbe raggiungere tutto il volume occupato dalle cellule ed in tutto il sistema dovrebbe essere mantenuta una pressione parziale di ossigeno maggiore di zero ma che, nel caso delle microcapsule, queste condizioni non vengono rispettate, le cellule vanno incontro ad uno stato di ipossia irreversibile, con conseguente arresto della crescita cellulare e formazione di aree necrotiche (Iwata et al., 1989).
Le cellule incapsulate rispondono allo stato di ipossia incrementando l’espressione di MCP-1, un segnale volto a promuovere l’angiogenesi e a risolvere, in ultima analisi, la carenza di ossigeno. D’altro canto però, come visto in precedenza, l’attivazione di questa proteina è anche alla base dell’attivazione delle cellule del sistema immunitario che, riconoscendo le microcapsule come estranee, procedono alla loro distruzione (De Vos et al., 1996).

- Biocompatibilità
Nonostante le diverse accezioni con cui è stato utilizzato nel tempo il termine “biocompatibilità”, storicamente sono stati indicati come “biocompatibili” i materiali che causano minime risposte biologiche. Su questa base, sono stati considerati accettabili per le procedure di impianto quei materiali che non provocano reazioni avverse nell’organismo ospite e che evocano, per questo, una minima risposta infiammatoria .
La biocompatibilità è un concetto basato sulle reciproche interazioni tra materiali e tessuti biologici, dal momento che non è solo il materiale ad evocare una risposta nell’organismo, ma è anche l’ambiente biologico a provocare una reazione nel materiale (Emerich et al., 2001).
Fattori importanti nel valutare la biocompatibilità di un materiale riguardano la sua composizione, il grado di purezza, la stabilità chimica e l’integrità meccanica. Difetti a carico di uno o più di questi fattori si traducono nell’attivazione di una risposta infiammatoria nell’organismo ospite in cui i dispositivi sono stati impiantati (Iwata et al.,1989).
Gli eventi responsabili dell’insorgenza della risposta infiammatoria sono rappresentati dalla reazione delle isole trapiantate all’incapsulamento e da quella dell’organismo ospite nei confronti del materiale di fabbricazione delle microcapsule sono costituite (De Vos et al., 2002).
Nel primo caso, i responsabili sono i meccanismi chemotattici che determinano il reclutamento e l’attivazione di macrofagi a ridosso dell’impianto (Leiter et al., 1987; Siebers et al., 1999). Tali meccanismi sono sostenuti sia dallo spargimento passivo di antigeni ad opera delle stesse isole, sia dalla sintesi di fattori chemoattrattivi ad opera delle cellule del sistema immunitario reclutate. L’α-1,3-galattoso è un tipico esempio di antigene specifico rilasciato dalle cellule incapsulate: questo attira i macrofagi e li attiva alla produzione di citochine che, a causa delle loro ridotte dimensioni, sono in grado di oltrepassare le membrane di immunoisolamento e di raggiungere le cellule ostacolando, quindi, la loro vitalità e la funzionalità (Gray et al., 2005; Omer et al., 2003).