Physicochemical Characterization and Biocompatibility of Alginate-Polycation Microcapsules Designed for Islet Transplantation

La microencapsulation représente une stratégie visant à protéger les cellules ou les tissus thérapeutiques du rejet de greffe à l'aide d'une barrière physique. Cette approche est avantageuse puisqu'elle ne nécessite pas l'administration d'immunosuppresseurs à long terme et qu'elle permet l'option d'exploiter des sources de cellules non-cadavériques (ex. les cellules d'animaux). Les microcapsules que nous étudions sont conçues pour l'immunoprotection des îlots de Langerhans (qui sont responsables de sécréter l'insuline) dans le but de traiter le diabète insulino-dépendant. La transplantation d'îlots microencapsulés n'est pas encore utilisée régulièrement en clinique parce que la survie et le fonctionnement des cellules greffées restent limités. Un facteur qui contribue à l'échec de la greffe est la biocompatibilité inadéquate des microcapsules ellesmêmes. Dans ce cas, les cellules immunitaires adhèrent à la surface du dispositif et sécrètent des substances cytotoxiques pouvant pénétrer la barrière protectrice et endommager les cellules à l'intérieur. Ensuite, du tissu fibrotique se développe autour de l'implant, ce qui peut obstruer ou limiter la diffusion des nutriments, de l'oxygène, du glucose et de l'insuline à travers la membrane et ultimement mener au dysfonctionnement et/ou la mort des cellules encapsulées. Au moins deux groupes de recherche ont démontré la faisabilité, sous conditions optimales, de fabriquer des microcapsules d'alginate-polycation biocompatibles. Cependant, la plupart des laboratoires ont de la difficulté à reproduire de tels résultats. Ceci souligne notre manque de connaissances à propos des paramètres importants qui déterminent la biocompatibilité de la microcapsule. Cette situation est fortement reliée au fait qu'aucun standard n'existe pouvant nous guider dans la fabrication des microcapsules afin d'atteindre une biocompatibilité et une bioperformance optimales. A l'aide des techniques d'analyses physicochimiques, cette recherche cherchait à comprendre quelles propriétés de la microcapsule sont importantes pour déterminer sa biocompatibilité. L'objectif de ce travail était d'élucider les corrélations entre la structure chimique, les propriétés physicochimiques, et la biocompatibilité in vivo des microcapsules à base d'alginate. Ces informations aideront la communauté scientifique à comprendre les facteurs

Abstract

Microencapsulation represents a method for immunoprotecting transplanted therapeutic cells or tissues from graft rejection using a physical barrier. This approach is advantageous in that it eliminates the need to induce long-term immunosuppression and allows the option of transplanting non-cadaveric cell sources, such as animal cells and stem cell-derived tissues. The microcapsules that we have investigated are designed to immunoprotect islets of Langerhans (i.e. clusters of insulin-secreting cells), with the goal of treating insulin-dependent diabetes. Microencapsulated islet transplantation has not yet reached regular clinical application because graft survival and function remains limited and variable. One of the main factors that contribute to graft failure is an inadequate biocompatibility of the microcapsule itself. Upon recognition of the microcapsule, host immune cells adhere to the device and secrete cytotoxic substances that are small enough to penetrate the protective barrier and potentially harm the cells within. As the inflammatory response persists, fibrotic tissue develops around the implant and can hinder the diffusion of cell nutrients, oxygen, glucose and insulin into and out of the microcapsule, thereby leading to encapsulated cell dysfunction and death. At least two research groups have demonstrated the feasibility of producing alginatepolycation microcapsules that are biocompatible. However, most labs have had difficulty reproducing such results. This underlines our lack of understanding about the parameters that are important for determining the biocompatibility of the microcapsule. This situation is intimately related to the fact that no standards currently exist to guide the fabrication process of microcapsules in order to achieve optimal biocompatibility and bioperformance. With the aid of techniques for physicochemical analysis, this research focused on understanding which properties of the microcapsule are the most important for determining its biocompatibility. The objective of this work was to elucidate correlations between the chemical make-up, physicochemical properties, and in vivo biocompatibility of alginate-based microcapsules. This information is expected to help the research community understand what factors must be controlled and standardized in order to achieve optimal biocompatibility. Our approach was based on the hypothesis that the immune response to the microcapsules is