Auswirkungen von Matrix- und Fällbadmodifikationen auf das funktionelle Überleben von mikroverkapselten Langerhans´schen Inseln in vitro

Abstract

Zur Heilung des Diabetes mellitus vom Typ I, eine der häufigsten endokrinen Störungen in der heutigen Zeit, wird neben der täglichen Gabe von Insulin eine andere Therapieform erforscht: Der Transplantation immunisolierter Langerhans´scher Inseln. Um die Funktion und Vitalität dieser Inseln zu erhöhen, mußte die Sauerstoff-versorgung verbessert werden. Ein hoffnungsvoller Ansatz war die Modifikation der Kapselmatrix mit Hämoglobin. In dieser Arbeit wurde das Modifikationsspektrum um einige Gruppen erweitert. Zum einen wurde das Fällbad mit Fe2+- und Fe3+-Kationen modifiziert, zum anderen die Alginatkapselmatrix mit Albumin, Transferrin, Hämoglobin, Erythrozyten und Erythrozytenhämolysat modifiziert. Ermittelt wurden die absolute Insulinsekretion, der Verlauf der Insulinsekretion über 28 Tage, die Stimulierbarkeit und die Vitalität. Alle Kapseltypen wurden mit der Kontrollgruppe Bariumalginat verglichen. Albumin als einzige nicht Eisen beinhaltende Gruppe stellte die Proteinkontrolle dar. Bei allen Kapseltypen war es zu einem mehr oder minder starken Abfall der Insulin-sekretion von der 1. bis zur 4. Woche gekommen. In der absoluten Insulinsekretion waren Albumin und Hämoglobin signifikant (p<0,05) höher gegenüber der Kontrollgruppe. Zudem war Albumin in der Stimulierbarkeit signifikant besser und hatte mit 32,5 % den höchsten Vitalitätswert aller Kapseltypen. Da Albumin kein Eisen besitzt, ist eine Verbesserung der Sauerstoffversorgung auszuschließen. Hier müssen andere Effekte, wie z. B. ein unspezifischer Proteineffekt, zum Wirken gekommen sein. Fe2+-, Fe3+- und Transferrin-Kapseln wiesen die niedrigsten Ergebnisse in allen gemessenen Parametern auf. Sie trugen eher zu einer Verschlechterung der Ergebnisse bei. Zudem zeigte sich in den Transferrin-Kapsel eine starke Vakuolenbildung. Bei den Erythrozyten- und Erythrozytenhämolysat-Kapseln, die ebenfalls nicht zu einer Verbesserung der Ergebnisse beitrugen, kam es zu unterschiedlichen Problemen. Durch Zusammenballung der Erythrozyten entstand eine starke Vakuolenbildung in den Erythrozyten-Kapseln und aus den Erythrozytenhämolysat- Kapseln diffundierte das Hämolysat hinaus. Zudem war der Herstellungsprozeß dieser beiden Kapseltypen technisch sehr aufwendig.

Despite insulin therapy transplantation of immunoisolated islets of Langerhans is investigated as treatment for type 1 diabetes. However oxygen supply plays a crucial role for graft survival and function. In previous studies we could demonstrate, that immobilized hemoglobin inside the capsule matrix leads to a significantly increased function and viability of microencapsulated islets. Because a more efficient oxygen supply caused by hemoglobin could be excluded, the present study investigated, whether the iron contained in the Hb molecule is responsible for the positive effect of Hb. This was realized by substitution of Fe2+ and Fe3+ cations in the precipitant for alginate (BaCl2) on the one hand and by immobilization of iron-containing factors inside the capsule matrix Transferrin (Tf), erythrocytes (Ery), hemolysated erythrocytes (hEry), Hemoglobin (Hb), and Albumin (Alb) on the other hand. Ba-alginate microencapsulated neonatal rat islets were used as control group. The absolute insulin secretion, the relative stimulatory response to glucose and the viability before and after 4 weeks of culture was determined. During the culture period insulin secretion declined in all groups investigated. The absolute insulin secretion of the Hb-containing group and of the Alb- containing group, however, was significantly increased (p<0.05) compared to the control group. Furthermore the Albumin modification resulted in a significantly higher stimulatory responsivness to glucose and in the best viability compared to all other groups. Because albumine doesnýt contain any iron, an iron-mediated improvement of oxygen supply may be excluded. Other factors like an unspecific protein action may have taken effect. Ery-, hEry-, Fe2+-, Fe3+-, Tf-containing microcapsules have shown no beneficial effect on function and survival of microencapsulated neonatal rat islets. This may be due to technical problems during the microencapsulation process of the Tf- and Ery- containing capsules (solubility of Tf in alginate, conglomeration of erythrocytes, increased viscosity of the alginate matrix etc.). The beneficial effect of immobilized Hb inside the alginate matrix of micro- encapsulated islets as be shown in former investigations could be reproduced by the present data. This effect, however, may be caused by other factors than by iron.