Application of the Multiplex Cytokine Analysis to Monitor Xenogeneic Immune Responses to the Porcine Islet Graft in Non-Human Primate

Non-human primate studies must be conducted prior to the clinical trial of xenotransplantation. In order to develop clinically applicable immune-modulatory regimen through non-human primate studies, close monitoring of xenogeneic immune responses is required. We adopted multiplex cytokine analysis in assessment of the immune status during the course of pig-to-non-human primate islet transplantation. This study aimed to assess the feasibility of this multiplex cytokine assay in the development of immune-modulatory regimen. Using this assay, we were able to detect different cytokines with a minimal usage of blood samples, and this allowed us to detect various immunological situations in the recipients. Detection of TNF-alpha surge (347.8 pg/mL) guided us to block TNF-alpha in the early phase of transplantation. Supportive information for in vivo efficacy of cytokine neutralizing antibody could be speculated by in vitro neutralization assay (1,250 pg/mL --> 0 pg/mL). In addition, periodic monitoring of cytokines in peripheral blood allowed the detection of the infection episode prior to other routine assays. These benefits of multiplex cytokine assay may be generally applied to other pre-clinical research, which is a prerequisite for clinical trials.

Imunoproteção de ilhotas pancreáticas microencapsuladas em biomateriais inovadores e seu potencial terapêutico no diabetes mellitus tipo 1 / Immunoprotection of pancreatic islets microencapsulated in inovative biomaterials and its therapeutic potential in type 1 Diabetes Mellitus

O transplante de ilhotas microencapsuladas constitui uma alternativa terapêutica interessante para o Diabetes Mellitus tipo 1, permitindo um melhor controle glicêmico e eliminando a necessidade de imunossupressão. Entretanto, a manutenção a longo prazo da viabilidade das células-ß ainda é um desafio. No isolamento, a perda da matriz extracelular e as condições hipóxicas subsequentes afetam decisivamente a sobrevivência e funcionalidade das ilhotas. Objetivo Para diminuir o estresse sobre o enxerto, levando a um sucesso prolongado do transplante, propôs-se a adição de perfluorocarbono (PFC) ou laminina (LN), moléculas associadas respectivamente à oxigenação e interações célula-célula, ao biomaterial baseado em alginato, Biodritina, adequado ao encapsulamento celular. Metodologia Para testar a estabilidade das formulações PFC-Biodritina e LN-Biodritina, microcápsulas foram submetidas a diferentes estresses (rotacional, osmótico, temperatura e cultura) por 7 e 30 dias. A pureza do biomaterial foi avaliada pela coincubação com macrófagos murinos RAW264.7, por 3, 9 e 24h, quando a ativação dos macrófagos foi observada pela expressão gênica de IL- 1ß e TNFα. Microcápsulas implantadas i.p. em camundongos foram recuperadas após 7 ou 30 dias, para análises de biocompatibilidade. A expressão de níveis de mRNA (bax, bad, bcl-2, bcl-XL, xiap, caspase 3, mcp1/ccl2, hsp70, ldh, insulina 1 e 2), proteínas (Bax, Bcl-XL e Xiap) e a atividade de Caspase3 foram avaliadas em ilhotas microencapsuladas com PFC- e LN-Biodritina, após cultura de 48h em condições de normóxia e hipóxia (<2% O2). Camundongos diabéticos foram transplantados com ilhotas encapsuladas nas diferentes formulações e os animais foram monitorados pelas variações de massa corporal, glicêmicas e pela funcionalidade do enxerto (TOTGs). As ilhotas foram recuperadas de animais normo ou hiperglicêmicos e uma análise de biocompatibilidade das cápsulas foi realizada, assim como a avaliação funcional das células-ß. Após o explante, a glicemia dos animais normoglicêmicos foi monitorada para se atestar a eficiência das ilhotas transplantadas. Resultados Microcápsulas de PFC- e LN-Biodritina são tão estáveis e biocompatíveis quanto as de Biodritina. Para ilhotas encapsuladas em ambos os materiais, em normóxia ou hipóxia, observou-se uma modulação gênica que sugere proteção contra apoptose. Adicionalmente, encontrou-se uma diminuição na expressão de genes indicadores de estresse (mcp1, hsp70). Uma diminuição nos níveis de mRNA de ldh foi vista para PFC-Biodritina, mas o oposto foi encontrado para LN-Biodritina. As diferenças encontradas na expressão proteica sugerem o mesmo padrão anti-apoptótico. Caspase3 não foi modulada por nenhum biomaterial. Nos experimentos de transplante, apenas LN-Biodritina levou reversão prolongada do diabetes, com 60% dos animais normoglicêmicos, 198 dias pós-cirurgia, comparado a 9% do grupo Biodritina. O TOTG demonstrou que camundongos transplantados com ilhotas encapsuladas secretaram mais insulina do que controles, 60 (LN-Biodritina) ou 100 (PFC- e LN-Biodritina) dias pós-cirurgia. O explante restabeleceu a hiperglicemia nos camundongos. Microcápsulas recuperadas de animais hiperglicêmicos apresentavam uma extensa adesão celular. Testes de secreção de insulina in vitro demonstraram que somente ilhotas do grupo normoglicêmico responderam às variações da concentração de glicose. Conclusão A adição de moléculas bioativas à Biodritina é capaz de diminuir o estresse em ilhotas isoladas e tem o potencial de melhorar a terapia pelo transplante de ilhotas

Transplantation of microencapsulated islets represents an attractive therapeutical approach to treat type 1 Diabetes Mellitus, accounting for an improved glycemic control and the abolishment of immunosuppressive therapies. However, maintenance of long-term ß-cell viability remains a major problem. During islet isolation, the loss of extracellular matrix interactions and the hypoxic conditions thereafter dramatically affect ß-cell survival and function. Objective To lessen the burden of islet stress and achieve a better outcome in islet transplantation we tested the addition of perfluorocarbon (PFC) or laminin (LN), molecules associated respectively with oxygenation and cell-cell interaction, to Biodritin, an alginate-based material suitable for cell microencapsulation. Methodology To test the stability of PFC-Biodritin and LN-Biodritin composites, microcapsules were subjected to different stresses (rotational, osmotic, temperature and culture) for 7 and 30 days. To assess biomaterial purity microcapsules were co-incubated with RAW264.7 murine macrophage cell line for 3, 9 and 24h and macrophage activation was detected through mRNA levels of IL-1ß and TNFα. Microcapsules were implanted i.p. in mice and retrieved after 7 or 30 days, for biocompatibility analyses. Gene expression at mRNA (bax, bad, bcl-2, bcl-XL, xiap, caspase 3, mcp1/ccl2, hsp70, ldh, insulin 1 and 2) and protein (Bax, Bcl-XL and Xiap) levels, together with Caspase3 activity, were evaluated in islets microencapsulated in PFC- or LN-Biodritin, upon culturing for 48h in normoxic or hypoxic (<2% O2) conditions. Diabetic mice were transplanted with PFC- or LN-Biodritin microencapsulated islets, followed by assessments of body weight, glycemia and graft function by oral glucose tolerance tests (OGTTs). Microencapsulated islets were retrieved from normoglycemic or hyperglycemic mice and biocompatibility analyses of the beads together with a functional assessment of the graft followed. After graft removal, normoglycemic animals had their glycemias monitored to attest the efficacy of the transplanted islets. Results PFC- and LN-Biodritin microcapsules were as stable and biocompatible as Biodritin. For both biomaterials in normoxia and hypoxia a modulation in gene expression was observed in islets associated with a protection against apoptosis. Also, a decreased expression of stress-related genes (mcp1, hsp70) was evidenced. ldh mRNA levels were down-regulated in PFC-Biodritin microencapsulated islets but upregulated in the presence of LN. Increased levels of insulin mRNA were observed. The differences seen in protein expression indicated the same anti-apoptotic pattern. Caspase3 activity was not different between groups. Concerning diabetes reversal experiments, only mice transplanted with LN-Biodritin microencapsulated islets presented a better outcome, with 60% remaining euglycemic at 198 days post-surgery, compared with 9% for the Biodritin group. OGTT showed that mice transplanted with encapsulated islets secreted more insulin than normal mice, 60 (LN-Biodritin) or 100 days (PFC- and LN-Biodritina) posttransplant. Hyperglycemia was achieved after the retrieval of microcapsules showing graft efficacy. Retrieved microcapsules revealed an extensive overgrowth in most beads from hyperglycemic mice. A static glucose stimulated insulin secretion test revealed that only islets from normoglycemic subjects were able to secrete insulin according to glucose concentration. Conclusion- The addition of bioactive molecules to Biodritin may lessen the stress of isolated islets and have the potential to improve islet transplantation therapy.

IIhotas pancreáticas humanas viáveis para o transplante através do aumento da massa de células e do imunoisolamento com microcápsulas biocompatíveis / Obtention of human pancreatic islets for transplantation through an increase in cell mass and an immunoisolation with biocompatible microcapsules

O transplante de ilhotas pancreáticas humanas representa uma estratégia promissora para a cura do diabetes mellitus tipo 1 (DM1) mas a aplicação a todos os pacientes diabéticos ainda é impraticável devido à limitada disponibilidade de ilhotas ou células β e à necessidade de utilização de drogas imunossupressoras pelo paciente transplantado. O tratamento com imunossupressores após o transplante de ilhotas pode ser abolido quando se realiza o microencapsulamento das ilhotas pancreáticas. Neste trabalho investigou-se um novo biomaterial, Biodritina (alginato/sulfato de condroitina) adequado ao microencapsulamento que gelifica na presença de íons de cálcio ou bário. A biocompatibilidade das microcápsulas tem sido avaliada segundo o grau de pureza do alginato utilizado na sua confecção. Amostras de alginato comercial purificado foram analisadas, comprovando-se a presença de impurezas (polifenóis, endotoxinas, proteínas) em níveis elevados, que impedem sua aplicação clínica. Optou-se, portanto pela utilização do alginato comercial ultrapurificado nos experimentos descritos neste trabalho. Das formulações de biomateriais avaliadas, as microcápsulas de bário-Biodritina apresentaram o melhor desempenho em testes de estabilidade físico-química...

Alotransplante de ilhotas de Langerhans no fígado de ratos submetidos a manipulação tímica com células não-parenquimatosas / Allogenic islet transplantation on the rat liver after allogenic nonparenchymal cells injection in the thymus

RACIONAL: A maior indicação do transplante de pâncreas ou de ilhotas de Langerhans é o diabetes mellitus do tipo I. O processo deve suprir as necessidades de insulina, mantendo os níveis glicêmicos dentro da normalidade OBJETIVOS: Estudar o alotransplante de ilhotas de Langerhans no fígado de ratos Lewis (RT1¹), tendo como doadores de ilhotas ratos Wistar (RT1u). No grupo controle (n = 8) injetava-se, no timo, solução de Hanks e no grupo de estudo(n = 8), células não-parenquimatosas hepáticas MATERIAL E MÉTODOS: No grupo controle com o método de separação e purificação das ilhotas de Langerhans obteve-se 3.637 ± 783,3 ilhotas com pureza de 85 ± 3,52 por cento. No grupo de estudo obteve-se 3.270 ± 770 ilhotas de Langerhans com pureza de 84,25 ± 2,76 por cento e com o método de isolamento e purificação das células não-parenquimatosas hepáticas obteve-se 2 x 10(6) células RESULTADOS: No grupo controle, o transplante de 3.637 ± 783,3 ilhotas de Langerhans no fígado, quase normalizou a glicemia que chegou a 17,95 ± 5,33 mmol/L no 2° dia do pós-operatório (diferença significante com relação ao pré-operatório). Do pós-operatório imediato até o 8° dia do pós-operatório a glicemia não se elevou significativamente, porém a partir do 10° dia do pós-operatório houve aumento significativo deste parâmetro, o que pode ser compatível com rejeição aguda do enxerto. No grupo de estudo, o transplante de 3.270 ± 770 ilhotas de Langerhans no fígado, quase normalizou a glicemia que chegou a 17,95 ± 5,33 mmol/L no 2° dias do pós-operatório (diferença significante com relação ao pré-operatório). Do 4° ao 10° pós-operatório a glicemia elevou-se significativamente, o que pode ser compatível com quadro de rejeição aguda do enxerto e certamente precoce CONCLUSÃO: A inoculação de células alogênicas apresentadoras de antígenos (células não-parenquimatosas hepáticas) no timo de ratos imunossuprimidos e diabéticos, antes...

BACKGROUD: The major indication for pancreas or islet transplantation is diabetes mellitus type I. This process has to supply the insulin necessity keeping glucose under control AIM: We studied allogenic islet transplantation on the rat liver, Wistar (RT1u) to Lewis (RT1¹) as a recipient. Control group (n = 8) and nonparenchymal cell group (n = 8) respectively with injection of Hanks solution and nonparenchymal cells in the thymus before islet transplantation. MATERIAL AND METHODS: With the method of isolation and purification of the islets we obtained both in the control group 3.637 ± 783,3 islets with purity of 85 ± 3,52 percent and nonparenchymal cell group 3.270 ± 770 islets with purity of 84,25 ± 2,76 percent. The nonparenchymal cells were retrieved from the liver and we obtained 2 x 106 cells. Diabetes was induced by i.v. streptozotocin RESULTS: Control group the transplantation of 3.637 ± 783,3 islets in the rat liver normalized glucose test, 7,21 ± 0,57 mmol/L in the 2nd postoperative day. Acute rejection came in the 6th postoperative day with significantly increase of glucose test in nonparenchymal cell group, the transplantation of 3.270 ± 770 islets in the rat liver, almost normalized the glucose test was 17,95 ± 5,33 mmol/L in the 2nd postoperative day. From the 4th postoperative day to 10th postoperative day. The glucose test increase significantly showing an early acute rejection CONCLUSION: The injection of nonparenchymal cells in the thymus before allogenic islet transplantation in the rat liver lead to an early acute rejection.

Secondary prevention of type 1 diabetes mellitus: stopping immune destruction and promoting ß-cell regeneration

Type 1 diabetes mellitus results from a cell-mediated autoimmune attack against pancreatic ß-cells. Traditional treatments involve numerous daily insulin dosages/injections and rigorous glucose control. Many efforts toward the identification of ß-cell precursors have been made not only with the aim of understanding the physiology of islet regeneration, but also as an alternative way to produce ß-cells to be used in protocols of islet transplantation. In this review, we summarize the most recent studies related to precursor cells implicated in the regeneration process. These include embryonic stem cells, pancreas-derived multipotent precursors, pancreatic ductal cells, hematopoietic stem cells, mesenchymal stem cells, hepatic oval cells, and mature ß-cells. There is controversial evidence of the potential of these cell sources to regenerate ß-cell mass in diabetic patients. However, clinical trials using embryonic stem cells, umbilical cord blood or adult bone marrow stem cells are under way. The results of various immunosuppressive regimens aiming at blocking autoimmunity against pancreatic ß-cells and promoting ß-cell preservation are also analyzed. Most of these regimens provide transient and partial effect on insulin requirements, but new regimens are beginning to be tested. Our own clinical trial combines a high dose immunosuppression with mobilized peripheral blood hematopoietic stem cell transplantation in early-onset type 1 diabetes mellitus.

Alotransplante de ilhotas de Langerhans no fígado de ratos submetidos a manipulação tímica com células dendríticas / Alogenic islet transplantation on the rat liver after alogenic dendritic cells injection in the thymus

RACIONAL: A maior indicação do transplante de pâncreas ou de ilhotas de Langerhans é o diabetes mellitus do tipo I. O processo deve suprir as necessidades de insulina, mantendo os níveis glicêmicos dentro da normalidade. OBJETIVOS: Estudou-se o alotransplante de ilhotas de Langerhans no fígado de ratos Lewis, tendo como doadores de ilhotas ratos Wistar. No grupo controle (n = 8) injetava-se, no timo, solução de Hanks e no grupo de estudo (n = 9), células dendríticas. MATERIAL E MÉTODOS: No grupo controle com o método de separação e purificação das ilhotas de Langerhans obteve-se 3637 ± 783,3 ilhotas com pureza de 85 por cento ± 3,52 por cento. No grupo de estudo obteve-se 3268 ± 378 ilhotas de Langerhans com pureza de 87 por cento ± 4,47 por cento e com o método de isolamento e purificação das células dendríticas do baço obteve-se 3,34 x 105 ± 1,16 células. RESULTADOS: No grupo controle, o transplante de 3637 ± 783,3 ilhotas de Langerhans no fígado, normalizou a glicemia que chegou a 7,21 ± 0,57 mmol/L no segundo pós-operatório (diferença significativa com relação ao pré-operatório). Do pós-operatório imediato até o 8° pós-operatório a glicemia não se elevou significativamente, porém a partir do 10° pós-operatório houve aumento significativo deste parâmetro, o que pode ser compatível com rejeição aguda do enxerto. No grupo de estudo, o transplante de 3258 ± 378 ilhotas de Langerhans no fígado, normalizou a glicemia, que chegou a 9,3 ± 2,85 mmol/L no segundo pós-operatório (diferença significativa com relação ao pré-operatório). Do 4° ao 10° pós-operatório, a glicemia elevou-se significativamente, o que pode ser compatível com quadro de rejeição aguda do enxerto e certamente precoce. CONCLUSÃO: A inoculação de células alogênicas apresentadoras de antígenos (células dendríticas) no timo de ratos imunossuprimidos e diabéticos, antes do alotransplante de ilhotas de Langerhans no fígado, ao contrário de inibir a reação do receptor contra o enxerto, prolongando a sobrevida média das ilhotas e, possivelmente, levando ao estado de tolerância imunológica, induziu ao processo de rejeição aguda precoce.

Effects of cyclosporin A immunosuppression on pancreaticoduodenal transplantation in alloxan-diabetic rats

1. Forty-five outbred Wistar rats were randomly assigned to three experimental groups: GI, 10 non-diabetic control rats; GII, 10 alloxan-diabetic control rats; GIII, 25 alloxan-diabetic rats which received pancreaticoduodenal transplantation (PDT) from normal Wistar donor rats and were immunosuppressed with cyclosporin A (Cy-A), 10 mg kg body weight-1 day-1, administered intraperitoneally for 30 days. 2. In parallel, 15 alloxan-diabetic inbred Wistar rats received isogeneic PDT from normal Wistar donor rats. 3. Cy-A prevented graft rejection in the 15 surviving animals in group III. These observations were confirmed by clinical and biochemical parameters (body weight, urine output, water and food intake, blood and urinary glucose and plasma insulin) and by histology and immunohistochemistry of the pancreas. 4. However, Cy-A was associated with 60% of the infectious complications in transplanted rats leading to 40% mortality. Pulmonary infections were the main cause of death. There were no side effects of immunosuppression on the pancreas. Infections were not significant in inbred rats submitted to PDT