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Auswirkungen von Matrix- und Fällbadmodifikationen auf das funktionelle Überleben von mikroverkapselten Langerhans´schen Inseln in vitro (2002)

Art

Hochschulschrift

Autor

Horsten, Axel von

Quelle

Berlin, 2002 — 88 Seiten

Verweise

URL (Volltext): http://www.diss.fu-berlin.de/diss/receive/FUDISS_thesis_000000000835

Kontakt

Institut für Veterinär-Physiologie

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Abstract / Zusammenfassung

Um eine Verbesserung der Funktion und Vitalität enkapsulierter Langerhans´scher
Inseln zu erreichen, wurde in die unterschiedlichsten Richtungen geforscht. Ein
hoffnungsvoller Ansatz war die Modifikation der Kapselmatrix mit Hämoglobin. In
dieser Arbeit wurde das Modifikationsspektrum um einige Gruppen erweitert. Zum
einen wurde das Fällbad mit Fe2+- und Fe3+-Kationen modifiziert, zum anderen die
Alginatkapselmatrix mit Albumin, Transferrin, Hämoglobin, Erythrozyten und
Erythrozytenhämolysat modifiziert. Ermittelt wurden die absolute Insulinsekretion, der Verlauf der Insulinsekretion über 28 Tage, die Stimulierbarkeit und die Vitalität. Alle Kapseltypen wurden mit der Kontrollgruppe Bariumalginat verglichen. Albumin als einzige nicht Eisen beinhaltende Gruppe stellte die Proteinkontrolle dar.
Bei allen Kapseltypen war es zu einem mehr oder minder starken Abfall der Insulinsekretion
von der 1. bis zur 4. Woche gekommen. Vermutlich war die Lyse eines Teils der neonatalen Ratteninselzellen hierfür verantwortlich, da diese starken mechanischen und enzymatischen Belastungen bei der Gewinnung ausgesetzt waren.
In der absoluten Insulinsekretion waren Albumin in der 4. Woche und Hämoglobin
in der 1. Woche stimuliert und in der 4. Woche signifikant (p<0,05) höher gegenüber
der Kontrollgruppe. Zudem war Albumin in der Stimulierbarkeit signifikant
besser und hatte mit 32,5 % den höchsten Vitalitätswert aller Kapseltypen, während
Hämoglobin einen Wert von 19,0 % erreichte. Da die Ergebnisse der beiden
Kapseltypen sehr ähnlich waren, Albumin aber keine Sauerstofftransportfunktion
besitzt, muß eine Verbesserung der Sauerstoffversorgung der Inseln ausgeschlossen
werden. Wahrscheinlicher ist ein unspezifischer Proteineffekt, der sich positiv auf
die Funktion und Vitalität der Inseln ausgewirkt hat. Hingegen war die absolute Insulinsekretion der 1. Woche und die Vitalität der Eisen-III- und Transferrin-Kapseln signifikant niedriger als die der Kontrollgruppe, während die übrigen Ergebnisse sich nicht signifikant unterschieden. Da die Transferrinmoleküle ebenfalls dreiwertige Eisenionen enthalten, muß angenommen werden, daß die dreiwertige Form des Eisens sich negativ auf die Inseln ausgewirkt hat. Hinzu kommt, daß es bei der Herstellung der Transferrin-Kapseln zu einer massiven Bildung kleinster Vakuolen gekommen war und diese feinschwammige Struktur der Kapsel eine zusätzliche Schwierigkeit in der Versorgung der Inseln mit Sauerstoff und Nährstoffen dargestellt hat.
Die Ergebnisse der Eisen-II-Kapseln waren bei allen gemessenen Parametern niedriger als die der Kontrollgruppe Bariumalginat, unterschieden sich aber nicht signifikant voneinander. Eine Modifikation des Fällbades mit Fe2+-Kationen hat daher weder zu einer Verbesserung noch zu einer Verschlechterung der Funktion und Vitalität der Inseln geführt. Vergleicht man hierauf die Ergebnisse der Eisen-IIKapseln mit den Ergebnissen der Hämoglobin-Kapseln und bedenkt, daß in den Eisen-II-Kapseln eine Proteinkomponente gefehlt hat, so unterstützen sie indirekt die Theorie des unspezifischen Proteineffektes.
Sehr ähnliche Insulinsekretionsergebnisse wie die Eisen-III- und Transferrin- Kapseln erzielten die Erythrozyten-Kapseln. In ihrer Stimulierbarkeit waren sie signifikant höher und in der Vitalität sichtbar niedriger, unterschieden sich aber nicht signifikant von der Kontrollgruppe. Bei der Herstellung der Erythrozyten- Kapseln kam es, wie schon bei den Transferrin-Kapseln, zu einer massiven Bildung kleinster Vakuolen. In diesen Vakuolen waren zumeist Reste hämolysierter Erythrozyten zu finden. Auch hier liegt die Vermutung nahe, daß durch die poröse Struktur der Kapsel eine Versorgung der Inseln mit Sauerstoff und Nährstoffen erschwert wurde.
Zu einem unerwarteten Effekt ist es bei den Erythrozytenhämolysat-Kapseln ge62
kommen. Bereits wenige Stunden nach der Herstellung war eine deutliche Entfärbung
sichtbar und nach ca. einer Woche hatten die zuvor roten Kapseln ein milchig trübes Aussehen. Da die im Hämoglobin vorkommende prosthetische Gruppe Häm für die rötliche Färbung verantwortlich ist, muß angenommen werden, daß das Hämoglobin vollständig aus den Kapseln hinausdiffundiert war. Die signifikant höheren Insulinsekretionsergebnisse dieses Kapseltyps waren nicht auf eine Verbesserung der Funktion und Vitalität der Inseln zurückzuführen, da die niedrige Stimulierbarkeit und die nicht signifikant geringere Vitalität von 25,0 % gegenüber der Kontrollgruppe (28,1 %) das Gegenteil bewiesen. Vielmehr scheint die präparations- und/oder digestionsbedingte doppelte Anzahl an Inseln pro Kapsel hierfür verantwortlich gewesen zu sein. Die Ergebnisse der Erythrozyten- bzw.
Erythrozytenhämolysat-Kapseln führten letztendlich nicht zu einer Verbesserung der Funktion und Vitalität der Inseln. Erschwerend kamen die Probleme der Vakuolenbildung und der Entfärbung hinzu, die durch weitergehende Forschungsarbeit noch erklärt werden müßten.

Despite insulin therapy transplantation of immunoisolated islets of Langerhans is
investigated as treatment for type 1 diabetes. However oxygen supply plays a crucial
role for graft survival and function. In previous studies we could demonstrate, that
immobilized hemoglobin inside the capsule matrix leads to a significantly increased
function and viability of microencapsulated islets. Because a more efficient oxygen
supply caused by hemoglobin could be excluded, the present study investigated,
whether the iron contained in the Hb molecule is responsible for the positive effect of
Hb. This was realized by substitution of Fe2+ and Fe3+ cations in the precipitant for
alginate (BaCl2) on the one hand and by immobilization of iron-containing factors
inside the capsule matrix Transferrin (Tf), erythrocytes (Ery), hemolysated erythrocytes (hEry), Hemoglobin (Hb), and Albumin (Alb) on the other hand. Ba-alginate microencapsulated neonatal rat islets were used as control group. The absolute insulin secretion, the relative stimulatory response to glucose and the viability before and after 4 weeks of culture was determined.
During the culture period insulin secretion declined in all groups investigated.
The absolute insulin secretion of the Hb-containing group and of the Alb-containing
group, however, was significantly increased (p<0.05) compared to the control group.
Furthermore the Albumin modification resulted in a significantly higher stimulatory
responsivness to glucose and in the best viability compared to all other groups.
Because albumine doesn’t contain any iron, an iron-mediated improvement of oxygen
supply may be excluded. Other factors like an unspecific protein action may have
taken effect. Ery-, hEry-, Fe2+-, Fe3+-, Tf-containing microcapsules have shown no beneficial effect on function and survival of microencapsulated neonatal rat islets.
This may be due to technical problems during the microencapsulation process of the
Tf- and Ery- containing capsules (solubility of Tf in alginate, conglomeration of
erythrocytes, increased viscosity of the alginate matrix etc.).
The beneficial effect of immobilized Hb inside the alginate matrix of microencapsulated
islets as be shown in former investigations could be reproduced by the
present data. This effect, however, may be caused by other factors than by iron.