Nouvelles microcapsules fonctionnalisées et standardisées

Microencapsulation

La microencapsulation permet de pallier certaines limitations de la macroencapsulation, comme l’oxygénation. Il s’agit de microcapsules d’hydrogel biocompatible, de forme sphérique, allant de 250 µm à 1000 µm de diamètre, contenant un nombre limité d’îlots de Langherans : généralement de 1 à 374,75. L’hydrogel, à l’état liquide, est tout d’abord mélangé avec les cellules à encapsuler. Puis des gouttes sont formées à partir de ce mélange hydrogel – cellules, grâce à différentes technologies qui sont présentées par la suite (3.Technologies de microencapsulation). Enfin, ces gouttes sont gélifiées, grâce à différents procédés, qui dépendent du biopolymère utilisé, qui sont également détaillés par la suite (2.Matériau d’encapsulation). Le premier article présentant la microencapsulation a été publié par Chang et al. en 196494, et la première utilisation de microcapsules pour la thérapie cellulaire du diabète de type 1 a été publiée en 1980 par Lim et Sun3 . Dans cette étude, les îlots encapsulés ont survécu jusqu’à 3 semaines, contre 8 jours pour des îlots non encapsulés, sans traitement immunosuppresseur. En 1984, O’Shea et al. ont ensuite amélioré la technologie en changeant le matériau d’encapsulation, permettant aux îlots encapsulés greffés dans un des cinq animaux de l’étude de survivre les 365 jours de l’expérience95,17. Différentes études ont montré par la suite l’efficacité de la microencapsulation pour protéger les îlots encapsulés du système immunitaire du receveur3,17,95– 100 . La forme sphérique et la taille plus réduite des capsules présentent différents avantages74,75,101 : – La réduction de la distance de diffusion, autrement dit de la distance que l’oxygène et les nutriments doivent parcourir avant d’accéder aux îlots. Cela permet donc d’éviter les risques de nécrose présents dans les macrocapsules. – Leur forme sphérique permet d’avoir un rapport surface/volume élevé, et ainsi de maximiser la surface d’échange et donc le transfert d’oxygène et de nutriments. – Les microcapsules présentent une forte résistance aux sollicitations mécaniques – Leur petite taille permet d’accéder à de nombreux sites d’implantations par injection, comme en sous cutané, sous la capsule rénale, ou bien dans la cavité péritonéale75,102 . Le choix du site d’implantation dépend de la technologie103. Cependant, le site privilégié est généralement la cavité péritonéale74,102, car le volume de capsules à injecter peut être assez élevé. En effet, les différentes technologies de microencapsulation utilisées à l’heure actuelle ne permettent pour l’instant pas de contrôler de manière précise le pourcentage de remplissage des capsules. Il peut donc y avoir de nombreuses capsules vides, augmentant considérablement le volume total de capsules à transplanter afin d’espérer obtenir un nombre d’îlots greffés suffisant pour un retour à une glycémie normale104–106. En effet, un patient nécessite en moyenne 10 000 IEQ par kg107 (un patient de 70 kg par exemple, nécessite donc 700 000 IEQ). Les études utilisant la microencapsulation pour la thérapie cellulaire du diabète de type 1 montrent de très bons résultats chez les rongeurs108–110, ainsi que chez de plus larges animaux97,111,112, avec une nette amélioration du contrôle de la glycémie, et une réduction voire suppression de l’insulinothérapie. Cependant, elles présentent encore des difficultés à obtenir chez des patient·e·s des résultats aussi prometteurs et retrouver une glycémie normale113–116. Les raisons peuvent être une quantité insuffisante d’îlots greffés initialement, ou une survie compromise des greffes dans la cavité péritonéale116 . Récemment, Living Cell Technologies© a lancé des essais cliniques de xénotransplantation d’îlots de porc encapsulés, dans différents pays. Les premiers résultats montrent une possibilité sans risque de la xénotransplantation d’îlots encapsulés, mais sans parvenir à obtenir l’efficacité 30 souhaitée en termes de contrôle de la glycémie117. Il est donc essentiel d’avoir un pourcentage de capsules remplies le plus élevé possible, afin de réussir à greffer suffisamment d’îlots encapsulés pour retrouver une glycémie normale, sans nécessiter un volume de capsules trop important. Par ailleurs, la perméabilité des capsules n’est pas toujours précisément adaptée, et même si elle stoppe une réaction globale du système immunitaire, une détection des îlots par certaines molécules du système immunitaire peut entraîner une fibrose autour des capsules. Enfin, les microcapsules étant petites, et réparties dans toute la cavité péritonéale (site d’implantation privilégié), il est beaucoup plus difficile de les récupérer en cas de problème que pour les systèmes de macroencapsulation.

Nanoencapsulation

Afin de pouvoir envisager des sites d’implantation plus petits que pour la macroencapsulation et la microencapsulation, et résoudre les problèmes de diffusion de nutriments et oxygène, des techniques de nanoencapsulation ont été développées. Il s’agit toujours d’une membrane semiperméable, mais qui ici enveloppe individuellement chaque îlot de Langerhans. Son épaisseur peut varier de quelques nanomètres à quelques micromètres75 . Différents polyélectrolytes ont été étudiés pour cette application75, comme le poly(éthylène glycol) (PEG), le poly(alcool de vinyle) (PVA)118, le chitosan ou l’alginate119 (ces différents matériaux sont présentés plus en détails dans le paragraphe 2.Matériau d’encapsulation). Le plus utilisé est le PEG car il présente des propriétés intéressantes : il est biologiquement inerte, hydrophile, et inhibe la cytotoxicité engendrée par les anticorps, qui peuvent entraîner un rejet de la greffe2,120 . Les techniques de nanoencapsulation peuvent aller de l’émulsification au dépôt couche-parcouche (layer-by-layer LBL)121. La technique du couche-par-couche se base sur l’adsorption de composés de charges opposées : la surface des cellules chargée négativement est recouverte d’un polymère cationique, puis cette couche est recouverte d’un polymère anionique104,122 (ce procédé peut être répété pour obtenir une couche plus épaisse). Elle permet de générer une couche d’épaisseur inférieure à 50 nanomètres2,123. C’est une technique largement utilisée, qui permet de produire une pellicule d’épaisseur, perméabilité, propriétés mécaniques et chimie de surface contrôlé·e·s124. Cette technologie permet également d’ajouter des molécules non toxiques protectrices des îlots relativement facilement dans la membrane2 . La nanoencapsulation permet ainsi de fournir une immunoprotection aux îlots tout en n’étant pas confrontés aux limitations de diffusion des nutriments, oxygène et sécrétions cellulaires, et en ayant accès à un choix plus large de sites d’implantation. Cependant, cette technologie est confrontée à des risques en termes de biotolérabilité car les dépôts de couches de polyélectrolytes étant fines, elles ont tendance à se détériorer après implantation104. De plus, la plupart des polymères cationiques sont extrêmement cytotoxiques, par conséquent, leur contact direct avec la surface des cellules entraîne une dégradation progressive de la membrane104, ce qui limite la quantité de polymères pouvant être utilisés. Enfin, le problème de récupération de l’implant rencontré avec la microencapsulation est ici accentué. 

Résumé des essais cliniques en cours

Il existe différents essais cliniques en cours utilisant la macroencapsulation et la microencapsulation. La nanoencapsulation en est encore à un stade de développement et il n’existe pas à l’heure actuelle d’essais cliniques utilisant cette technologie. Le Tableau 1 présente une partie des technologies ayant déjà démarré un essai clinique : les techniques de microencapsulation sont en bleu, et celles de macroencapsulation en vert. Il existe également un dispositif utilisant le même type de chambre qu’en macroencapsulation, mais uniquement pour créer des chambres de tissu, et implanter des îlots nus par la suite, il est indiqué en rouge.