Advanced synthetic materials for beta cell encapsulation in Type 1 Diabetes treatment

Diabetes is a chronic hormonal and metabolic disorder affecting millions of people, globally. Although many diabetic patients can manage it through lifestyle changes, diet, and oral medications, daily insulin injections are necessary to regulate blood glucose level for all individuals with type 1 diabetes (T1D) to sustain life. However, insulin injections do not perfectly mimic natural insulin release pattern from pancreatic beta cells, and this leads to compliance issues and suboptimal glucose regulation. Thus, transplanting donor pancreatic islet offers a potential solution. Although, this transplantation has been successful for some patients, it is limited to a small fraction due to a shortage of donor islets and the requirement for long-term immunosuppression. Therefore, encapsulating beta cells in biomaterials can provide an alternative strategy in which it can protect beta cells from immune recognition while allowing insulin secretion. Thus, this thesis work investigates hydrogels for beta-cell encapsulation. Hydrogels formed from synthetic polymeric formulations were tested to investigate their physico-chemical properties, including rheological and swelling behavior, to assess mechanical stability, while in vitro insulin diffusion studies were conducted to evaluate permeability. Moreover, in vitro cell viability assay was conducted using the encapsulated cells and proinflammatory cytokines secretion was investigated. A successful translation of this system to TD1 patients will improve patient compliance, therapeutic adherence, minimize the need for repeated daily injections of insulin, and effectively manage diabetes.

Il diabete è un disturbo cronico ormonale e metabolico che colpisce milioni di persone in tutto il mondo. Sebbene molti pazienti diabetici possano gestirlo attraverso cambiamenti nello stile di vita, dieta e farmaci orali, per tutte le persone con diabete di tipo 1 (T1D) sono necessarie iniezioni quotidiane di insulina per regolare i livelli di glucosio nel sangue. Tuttavia, le iniezioni di insulina non imitano perfettamente il modello naturale di rilascio dell’insulina da parte delle cellule beta pancreatiche, e ciò provoca problemi di aderenza alla terapia e un controllo glicemico subottimale. Pertanto, il trapianto di isole pancreatiche da donatore offre una potenziale soluzione. Sebbene questo trapianto sia stato efficace per alcuni pazienti, esso è limitato a una piccola parte di essi a causa della carenza di isole da parte di donatore e della necessità di una immunosoppressione a lungo termine. Per questo motivo, l’incapsulamento delle cellule beta in biomateriali può rappresentare una strategia alternativa, in grado di proteggere le cellule dal riconoscimento da parte del sistema immunitario consentendo al contempo la secrezione di insulina. Questo lavoro di tesi indaga quindi l’uso di idrogeli per l’incapsulamento delle cellule beta. Gli idrogeli, ottenuti a partire da formulazioni polimeriche sintetiche, è stato testato tramite analisi chimico-fisiche, inclusa l'analisi reologica e la valutazione del rigonfiamento, allo scopo di valutarne la stabilità meccanica; inoltre, sono stati condotti studi di diffusione dell’insulina in vitro per valutarne la permeabilità. È stato effettuato inoltre un saggio di vitalità cellulare in vitro utilizzando le cellule incapsulate e sono stati studiati i livelli di secrezione di citochine pro-infiammatorie. Una traduzione efficace di questo sistema nei pazienti con TD1 potrebbe migliorare l’aderenza terapeutica, ridurre la necessità di iniezioni quotidiane di insulina e consentire una gestione più efficace del diabete.