Polymeric nano-fibrils and mesenchymal stem cell formulations for enhanced immunotherapies and potential application in type 1 diabetes

Chronic systemic immunosuppression is currently utilized to avoid immune rejection, to enable survival of a graft in the setting of allogeneic transplantation. Targeted delivery of immunosuppressive agents to the graft site enables to overcome the need for systemic immunosuppression, and avoid it’s consequent side effects. To reach this goal, we combined nanotechnologies and cell therapy to build novel targeted immunomodulatory treatments. Herein, we synthetized and tested amphiphilic block copolymers of poly(ethylene glycol)-oligo(ethylene sulfide) (PEG-OES) that are biocompatible and biodegradable. PEG44-OES5 can self-assemble in water into nanosized fibrils (nFib) able to solubilize and carry clinically relevant amount of the hydrophobic drug Rapamycin (3,212 mg/mL). In vitro, we demonstrated that the small size and large surface area of nFib (5 nm diameter/500-1000 nm length) allow them to readily enter cells, including UC-MSCs and to be retained into MSC for several days. Moreover, Rapamycin-loaded nFib (nFib-Rapa) can deliver the drug intracellularly, potentiating the MSC immunomodulatory ability. In vitro, UC-MSC engineered with nFib-Rapa (MSC-nFib-Rapa) were more potent in inhibiting activated T cells proliferation and promoted Treg expansion. In in vivo experiments, Balb/C mice were treated with lipopolysaccharide (LPS) to induce inflammation in the right foot paw. After the development of inflammation, the animals were treated via intravenous infusion of fluorescently labeled MSC-nFib formulations. Through in vivo imaging system (IVIS), accumulation of MSC-nFib at the site of inflammation was observed within 24 hours from the time of administration. Ultimately, by performing a syngeneic transplant we demonstrated that the MSC-nFib formulations were retained in the transplant site for at least 1-2 weeks and did not impair freshly transplanted islets in vivo. Future in vivo studies will investigate the efficacy of MSCs engineered with nFib-Rapamycin to prolong survival of a graft in the setting of allogeneic transplantation in preclinical models of type 1 diabetes via targeted and sustained immunosuppression without or with reduced side effects.

L'immunosoppressione sistemica cronica è attualmente utilizzata per evitare il rigetto immunitario, per consentire la sopravvivenza di un trapianto allogenico. Un delivery di farmaci immunosoppressori circoscritto al sito di innesto, consente di superare la necessità di un'immunosoppressione a livello sistemico e, di conseguenza, di evitare gli effetti collaterali di quest’ultima. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo combinato nanotecnologie e terapia cellulare per creare nuovi trattamenti immunomodulatori mirati. In questo progetto sono stati sintetizzati e testati copolimeri a blocchi anfifilici di poli(etilene glicole)-oligo(etilene solfuro) (PEG-OES) che sono biocompatibili e biodegradabili. Il PEG44-OES5 può auto-assemblarsi in acqua formando fibrille nanometriche (nFib) capaci di solubilizzare e trasportare quantità clinicamente rilevanti del farmaco idrofobo Rapamicina (3,2 mg/mL). In vitro, abbiamo dimostrato che le dimensioni ridotte e l'ampia area superficiale delle nFib (diametro di 5 nm/lunghezza di 1000 nm) consentono loro di penetrare facilmente nelle cellule, incluse le UC-MSC, e di rimanere al loro interno per diversi giorni. Inoltre, le nFib caricate con la Rapamicina (nFib-Rapa) sono in grado di rilasciare il farmaco a livello intracellulare, potenziando la capacità immunomodulatoria delle MSC. In vitro, le UC-MSC ingegnerizzate con nFib-Rapa (MSC-Fib-Rapa) sono risultate più potenti nell'inibire la proliferazione delle cellule T attivate e nel favorire l'espansione delle T regolatorie (Treg). In vivo, topi Balb/C sono stati trattati con lipopolisaccaride (LPS) al fine di indurre un’infiammazione nella zampa del piede destro. Dopo lo sviluppo dell'infiammazione, gli animali sono stati trattati mediante una infusione endovenosa di MSC-nFib marcate fluorescentemente. Attraverso il sistema di imaging in vivo (IVIS), è stato osservato l'accumulo delle MSC-nFib nel sito di infiammazione, nelle 24 ore successive. Infine, mediante un trapianto singenico, abbiamo dimostrato che le formulazioni di MSC-nFib sono trattenute nel sito del trapianto per almeno 1-2 settimane e non compromettono le isole pancreatiche appena trapiantate. Studi futuri in vivo investigheranno l'efficacia delle MSC ingegnerizzate con nFib-Rapamicina nel prolungare la sopravvivenza di un trapianto allogenico di isole pancreatiche in modelli preclinici di diabete di tipo 1 tramite immunosoppressione mirata e sostenuta, con assenza di effetti collaterali.