Scaling up of a vascularized endocrine pancreas for type 1 diabetes treatment

Intrahepatic islet transplantation is a promising cell therapy for patients affected by severe type 1 diabetes. However, it has limitations as the donor organ shortage, the lack of engraftment and following islet loss due to the avascular phase leading to the loss of 50 to 70% of the islet mass. Organ engineering could be strategic for recreating a highly vascularized structure similar to the endocrine niche, improving the islets engraftment. In 2019 Citro et al. validated a new platform namely the Vascularized Islet Organ (VIO) with the aim to overcome the avascular phase. It was based on the repurposing of a decellularized rat lung left lobe scaffold into a vascularized endocrine pancreas. After an ex vivo culture phase, pancreatic islets were functionally integrated in the vasculature of alveoli, improving beta cell survival and function both in vitro and in vivo. However, the VIO platform has intrinsic limitations as: i) murine islet as a source of endocrine cells and ii) the use of rat lung scaffold that strongly limits the high dose of pancreatic islets usually transplanted in diabetic patients, limiting the future clinical application. Thus, in this study we proposed a scaling up of the VIO platform, namely the scaled Vascularized Endocrine Pancreas (VEP). It is based on a neonatal pig lung left lobe scaffold, human endothelial cells and neonatal porcine islet cell cluster as an unlimited and gene editable source of endocrine cells. Since no decellularization protocols were previously described for a neonatal pig lung, we defined a new one. Firstly, we validated the efficiency of the decellularization process in terms of cell removal, DNA content, preservation of matrix properties and protein composition. Then, we re-endothelized the scaffold matrix providing a multi-compartment structure with a dense vascular network suitable for islet engraftment. After seven days of culture in bioreactor, endothelial cells showed complementary aligning to ECM texture but not a homogeneous distribution in the whole lung scaffold. The neonatal pig islets resulted integrated in the engineered vasculature and showed an increased insulin content compared to the control underlining that the integration of immature porcine islets in a vascularized 3D microenvironment lead to a boost of their maturation in vitro. We concluded that computational simulation through COMSOL Multiphysics could help mimicking the endocrine niche recreated in VEP optimizing parameters, as media flow and quantity of seeded cells, useful to translate ex vivo neonatal pig lung complete re-cellularization. Further validation will be requested to fully re-populate a functional VEP.

Il trapianto intraepatico di isole è la terapia alternativa alla somministrazione di insulina esogena per il trattamento del diabete di tipo 1 gravemente scompensato. Tuttavia soffre di carenza di donatori e di una sostanziale mancanza di attecchimento durante l’iniziale fase avascolare che comporta la perdita di circa il 50-70% delle isole infuse. L’ingegneria d’organo potrebbe risultare strategica per ricreare una struttura altamente vascolarizzata con unità simili alla nicchia insulare pancreatica, migliorando l'attecchimento delle isole e la loro funzione dopo il trapianto. Nel 2019 Citro et al. hanno validato, al fine di superare lo scoglio della fase avascolare, una nuova tecnologia di Organo Insulare Vascolarizzato (VIO) basato sulla ingegnerizzazione del lobo sinistro del polmone di ratto decellularizzato e ripopolato con cellule endoteliali e isole pancreatiche al fine di generare una nuova classe di un pancreas endocrino vascolarizzata. Dopo una fase di coltura ex vivo, le isole pancreatiche si sono integrate nel sistema vascolare degli alveoli, migliorando la sopravvivenza e la funzione delle cellule beta sia in vitro che in vivo. Tuttavia, il VIO presenta limitazioni intrinseche come: i) l’uso di isole murine come fonte endocrina e ii) la dimensione del polmone decellularizzato di ratto che non permette di raggiungere l'elevata dose di cellule pancreatiche richieste per ripristinare la funzione di secrezione insulinica persa nei pazienti diabetici, limitando il raggiungimento di future applicazioni cliniche. Per tanto in questo studio abbiamo proposto una modifica del VIO, denominata scaled Vascularized Endocrine Pancreas (VEP). È basata sull’architettura del lobo sinistro di polmone di maiale neonatale ripopolato con cellule endoteliali umane e isole neonatali di maiale, utilizzate come fonte illimitata e modificabile geneticamente del fenotipo endocrino. Poiché non sono stati ancora descritti protocolli per applicare il processo di decellularizzazione d’organo a una fonte polmonare di maiale neonatale, in primo luogo abbiamo convalidato il processo di decellularizzazione in termini di rimozione cellulare, contenuto di DNA, conservazione delle proprietà della matrice e composizione proteica. Quindi, abbiamo ri-endotelizzato la matrice priva di cellule fornendo una struttura multi-compartimentale con una fitta rete vascolare adatta per l’attecchimento di isole. Dopo sette giorni di coltura nel bioreattore, le cellule endoteliali hanno mostrato un allineamento complementare alla struttura dell'ECM ma non una distribuzione omogenea nell'intera trama polmonare. Inoltre, le isole pancreatiche di maiale neonatale si sono integrate con la vascolarizzazione ingegnerizzata e hanno mostrato un aumento di contenuto insulinico rispetto al controllo, sottolineando che l'integrazione delle cellule pancreatiche immature in un microambiente 3D vascolarizzato porta ad un aumento della loro maturazione in vitro. Abbiamo concluso che una simulazione computazionale tramite COMSOL Multiphysics può essere utile per mimare la nicchia endocrina ricreata nel VEP ottimizzandone i parametri studiati, quali il flusso del mezzo di coltura e la quantità di cellule seminate, necessari per traslare in esperimenti ex vivo la completa ri-cellularizzazione del lobo sinistro del polmone di maiale neonatale. È richiesta quindi un'ulteriore validazione per ripopolare completamente un VEP funzionale.