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

Susan Kimberly Tam

Ph.D. thesis (2010)

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Abstract

Microencapsulation represents a method for immunoprotecting transplanted therapeuticcells or tissues from graft rejection using a physical barrier. This approach is advantageous inthat it eliminates the need to induce long-term immunosuppression and allows the option oftransplanting non-cadaveric cell sources, such as animal cells and stem cell-derived tissues. Themicrocapsules 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 applicationbecause graft survival and function remains limited and variable. One of the main factors thatcontribute to graft failure is an inadequate biocompatibility of the microcapsule itself. Uponrecognition of the microcapsule, host immune cells adhere to the device and secrete cytotoxicsubstances that are small enough to penetrate the protective barrier and potentially harm thecells within. As the inflammatory response persists, fibrotic tissue develops around the implantand can hinder the diffusion of cell nutrients, oxygen, glucose and insulin into and out of themicrocapsule, thereby leading to encapsulated cell dysfunction and death.At least two research groups have demonstrated the feasibility of producing alginatepolycationmicrocapsules that are biocompatible. However, most labs have had difficultyreproducing such results. This underlines our lack of understanding about the parameters thatare important for determining the biocompatibility of the microcapsule. This situation isintimately related to the fact that no standards currently exist to guide the fabrication process ofmicrocapsules in order to achieve optimal biocompatibility and bioperformance.With the aid of techniques for physicochemical analysis, this research focused onunderstanding which properties of the microcapsule are the most important for determining itsbiocompatibility. The objective of this work was to elucidate correlations between the chemicalmake-up, physicochemical properties, and in vivo biocompatibility of alginate-basedmicrocapsules. This information is expected to help the research community understand whatfactors must be controlled and standardized in order to achieve optimal biocompatibility. Ourapproach was based on the hypothesis that the immune response to the microcapsules is

Résumé

La microencapsulation représente une stratégie visant à protéger les cellules ou les tissusthérapeutiques du rejet de greffe à l'aide d'une barrière physique. Cette approche estavantageuse puisqu'elle ne nécessite pas l'administration d'immunosuppresseurs à long terme etqu'elle permet l'option d'exploiter des sources de cellules non-cadavériques (ex. les cellulesd'animaux). Les microcapsules que nous étudions sont conçues pour l'immunoprotection desîlots de Langerhans (qui sont responsables de sécréter l'insuline) dans le but de traiter le diabèteinsulino-dépendant.La transplantation d'îlots microencapsulés n'est pas encore utilisée régulièrement enclinique parce que la survie et le fonctionnement des cellules greffées restent limités. Un facteurqui 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 dessubstances cytotoxiques pouvant pénétrer la barrière protectrice et endommager les cellules àl'intérieur. Ensuite, du tissu fibrotique se développe autour de l'implant, ce qui peut obstruer oulimiter la diffusion des nutriments, de l'oxygène, du glucose et de l'insuline à travers lamembrane et ultimement mener au dysfonctionnement et/ou la mort des cellules encapsulées.Au moins deux groupes de recherche ont démontré la faisabilité, sous conditionsoptimales, de fabriquer des microcapsules d'alginate-polycation biocompatibles. Cependant, laplupart des laboratoires ont de la difficulté à reproduire de tels résultats. Ceci souligne notremanque de connaissances à propos des paramètres importants qui déterminent labiocompatibilité de la microcapsule. Cette situation est fortement reliée au fait qu'aucunstandard n'existe pouvant nous guider dans la fabrication des microcapsules afin d'atteindre unebiocompatibilité et une bioperformance optimales.A l'aide des techniques d'analyses physicochimiques, cette recherche cherchait àcomprendre quelles propriétés de la microcapsule sont importantes pour déterminer sabiocompatibilité. L'objectif de ce travail était d'élucider les corrélations entre la structurechimique, les propriétés physicochimiques, et la biocompatibilité in vivo des microcapsules àbase d'alginate. Ces informations aideront la communauté scientifique à comprendre les facteurs
Department: Institut de génie biomédical
Program: Génie biomédical
Academic/Research Directors: L'Hocine Yahia, Jean-Pierre Hallé
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/465/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 25 Feb 2011 15:02
Last Modified: 08 Nov 2022 18:05
Cite in APA 7: Tam, S. K. (2010). Physicochemical Characterization and Biocompatibility of Alginate-Polycation Microcapsules Designed for Islet Transplantation [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/465/

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