Development of biomimetic approaches for immunoisolation of functional islets
Fonksiyonel adacıkların bağışıklık atağından korunması için biyomimetik yaklaşımların geliştirilmesi
- Tez No: 521568
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEDA KIZILEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyomühendislik, Biyoteknoloji, Kimya Mühendisliği, Bioengineering, Biotechnology, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 84
Özet
Tip 1 diyabet (T1D), insülin salgılayan β hücrelerinin yıkımı nedeniyle insülin salgılama fonksiyonunun kaybedildiği, pankreasın kronik bir otoimmün hastalığıdır. T1D hastaları yüksek kan glukoz seviyelerine sahipken, hücreleri glukozdan mahrumdur. Adacıklar“β hücreleri adaları”diye tanımlanabilir ve vücuttaki glikoz metabolizmasından sorumludurlar. Adacık transplantasyonu, son on yıl içerisinde T1D için deneysel ve zaman zaman uygulanan bir stratejiden rutin olarak uygulanan klinik terapiye dönüşmüştür. Fakat, ömür boyu bağışıklık sistemi baskılayıcı ilaç kullanma ve bir seferden fazla adacık nakli gerekliliği bu stratejinin daha geniş bir alanda uygulanmasını sınırlamaktadır. Adacık immünoizolasyon teknikleri, bağışıklık sistemini baskılamak için ilaç kullanma gerekliliğini kalıcı olarak ortadan kaldırılması veya ilaç dozlarının önemli ölçüde azaltılması için ortaya çıkmış tekniklere verilen genel bir addır. Bağışıklık sisteminin düzenlenmesi çeşitli malzeme bazlı ve biyolojik stratejilerle yapılabilir. Malzeme bazlı stratejiler, adacıkları besin değişimini sağlayan ve bağışıklık sistemi bileşenlerini bloke eden yarı geçirgen membranlar içinde alarak adacıkların korunmasına odaklanırken; biyolojik stratejiler, bağışıklık sisteminin kemokinler yoluyla veya bağışıklık hücrelerinin manipülasyonu ile düzenlenmesiyle ilgilenir. Bu tez, tolere edilebilir adacık nakillerinin yaratılması ve adacık reddinin üstesinden gelmek için bu iki stratejiye odaklanmaktadır. İlk olarak insülin salgılayan β hücreleri (β-TC-6) ve hepatik stellat hücrelerinden (HSC'ler) oluşan yalancı adacıklar veya adacık organoidlerini tasarladık. HSC'ler ECM proteinlerini ve anjiyogenez faktörlerini salgılayabilir ve aynı zamanda yakın çevrelerindeki düzenleyici T hücresi (Treg) popülasyonunu genişletebilirler. Tregler, efektör T hücrelerinin faaliyetlerini baskılayarak bağışıklık sistemini modüle etmede çok önemlidir. Makrofajlardan türetilmişbir kemokin olan CCL22 da Treg çağırma ve dolayısıyla lokal bir bağışıklık baskılama yeteneğine sahiptir. Çalışmamızda bu iki kavramı birleştirdik ve Treg'leri CCL22 geni ile transfekte ettik. Daha sonra, β-TC-6 ve CCL22 ile transfekte edilmiş HSC'ler ile insülin salgılayan çok hücreli organoidler hazırladık. Bu çok hücreli organoidlerin diyabetik hayvan modeline implantasyonu neticesinde, implantasyon bölgesindeki Treg sayısında 5 kattan fazla artış olduğunu gözlemledik. Bu sonuç, tolere edilebilir adacık nakillerinin, sadece adacık tedavisi vii için değil aynı zamanda diğer hücre/organ transplantasyonları için de bağışıklık sisteminin modülasyonu yoluyla üretilebileceğini gösterdi. Adacıklar için başka bir immünoizolasyon türü yaratmak için, biyouyumlu hidrojeller tasarladık ve adacık organoidlerinin etrafında ultra-ince kaplamalar oluşturduk. Lipid grubu barındıran mikrojeller, su içinde su emülsiyon tekniği ve ardından fotopolimerizasyon ile sentezlendi. Her bir reaksiyon aşaması, fizyolojik pH değerlerinde sulu çözeltilerde gerçekleştirildi. Mikrojeller hidrofobik etkileşimler yoluyla organoid bağlandı. Kovalent bağlanmadan farklı olarak, hidrofobik etkileşimler hücre yüzeyinde bulunan membrane proteinleri ile etkileşime girmez ve hücre zarının bütünlüğünü bozmaz. Kaplanmamış kontrollere kıyasla mikrojel kaplı adacık organoidleri için yüksek ve benzer hücresel metabolik aktivite ve canlılık değerleri elde ettik. Adacıkların insulin salgılama kapasiteleri incelendiğinde, mikrojellerle kaplanmış adacıklar ve kaplanmamış adacıklar arasında büyük farklılıklar gözlenmemiş, böylelikle insülin salgılama işlevselliği de korunmuştur. Edindiğimiz sonuçlar, immünoisolasyon yaklaşımımız aracığıyla, fonksiyonel insülin salgılayan organoidlerin üretilebileceğini bize göstermektedir. Bulgularımız biyolojik ve materyal bazlı immünoterapötik stratejilerin T1D tedavisinde adacık nakli için büyük bir potansiyel taşıdığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Type 1 diabetes (T1D) is a chronic autoimmune disease of pancreas, where insulin secretion function is lost due to destruction of insulin secreting β cells. People with T1D have high blood glucose levels, while their cells are deprived from glucose for their metabolic actions. Islets are“islands of β cells”and responsible for glucose metabolism in the body. Islet transplantation has transitioned from an experimental and occasionally-employed strategy to a routine clinical therapy for T1D in the past decade. Nevertheless, lifelong immunosuppression and the necessity of multiple transplantations limit wider application of this strategy. Islet immunoisolation techniques have emerged to eliminate immunosuppression permanently or to reduce immunosuppressive drug doses significantly. The concept of immunoisolation is to create a local secure microenvironment for islets to prevent graft rejection. Regulation of immune system can be done by several material-based and biologic strategies. While material-based strategies focus on preserving islets within semi-permeable membranes that allow nutrient exchange and block immune system components, biological strategies deal with regulation of immune system through chemokines and manipulation of immune cells. This thesis focuses on two of those strategies to create tolerable grafts and overcome islet graft rejection. We firstly engineered pseudoislets, or islet organoids, that are composed of insulin secreting β cells (β-TC-6) and hepatic stellate cells (HSCs). HSCs have the ability to secrete ECM proteins, angiogenesis factors and expand regulatory T cell (Treg) population in their vicinity. Tregs are crucial in modulating the immune system by suppressing and downregulating actions of effector T cells. A macrophage derived chemokine, CCL22, also has the ability to recruit Tregs and provide a local immunosuppression. We combined these two concepts and transfected Tregs with CCL22 gene. Then we prepared insulin-secreting multicellular organoids with β-TC-6 and CCL22-transfected HSCs. Implantation of these multicellular organoids to diabetic animal model resulted in more than 5-fold increase in Treg recruitment towards implantation site. This result suggested that tolerable grafts could be v fabricated through modulation of the immune system not only for islet therapy but also for other cell/organ transplantation therapies. To create another type of immunoisolation for islets, we also designed biocompatible hydrogels and formed ultra-thin coatings around islet organoids. Lipid group baring microgels were synthesized by water-in-water emulsion (W/W) followed by photopolymerization steps. We optimized microgel diameter by changing emulsion and photopolymerization parameters. The smallest microgel diameter (2,13 μm) was achieved at 60% ultrasonication power for 30 minutes. In W/W emulsion and photopolymerization steps, each reaction step was carried out in aqueous solutions at physiological pH values. We prepared β-TC-6 organoids by hanging drop method and deposited lipid-microgels on organoid surface via non-covalent hydrophobic interactions. Unlike covalent bonding, hydrophobic interactions between lipid functionalities in our microgels and phospholipid bilayer on cell membranes present no harm to cells. Hydrophobic interactions do not damage membrane proteins and perturb the integrity of the membrane. We studied the coating of microgels with two different lipid concentrations, 2.5 and 5 mM. Furthermore, we coated islet organoids with two different microgel concentrations, 10 and 20 mg/ml. We observed that coating efficiency was higher when lipid concentration was increased due to more hydrophobic interactions. We obtained high and similar metabolic activity and viability for microgel coated islet organoids compared to non-coated controls. Insulin secretion functionality was also preserved, meaning that our approach of immunoisolation allowed us to engineer functional insulin secreting organoids. Our findings suggest that biological and material-based immunotherapeutic strategies hold great potential for islet transplantation in T1D treatment.
Benzer Tezler
- Sürdürülebilir mimarlık için doğadan öğrenilen yaklaşımlar: Doğa esinli fikirlerin bina kabuğuna etkisi
Biomimetic approaches for sustainable architecture: The impact of nature-inspired ideas on building skin
ZEHRA BETÜL TÜRK
- Biomimetic approaches for the fabrication of hollow fiber nanofiltration membranes
Biyomimetik yaklaşımlarla içi boşluklu nanofiltrasyon membran üretimi
REYHAN ŞENGÜR TAŞDEMİR
Doktora
İngilizce
2018
Biyokimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Geleneksel mimarlık ve biyomimetik tasarım yaklaşımlarının iklime uygunluk ve sürdürülebilirlik bağlamında değerlendirilmesi
Evaluation of traditional architecture and biomimetic design approaches in context of climate suitability and sustainability
AYŞE FEYZA KARAKOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
MimarlıkGebze Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF ÖZER YÜKSEL
- Biyomimetik cephelerde gün ışığı kontrolü
Daylight control in biomimetic facades
BERFİN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
MimarlıkMimar Sinan Güzel Sanatlar ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜMİT TURGAY ARPACIOĞLU
- Mimari tasarımda biyomimetik yaklaşımların işlevsel esneklik amaçlı kullanımı
Biomimetic approaches in architectural design use for functional flexibility
ÖZGE ZENTER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
MimarlıkGazi ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET TAYFUN YILDIRIM