Immunoisolation of transplants by entrapment in¹⁹F‐labelled alginate gels: production, biocompatibility, stability, and long‐term monitoring of functional integrity

Abstract

Transplantation studies with immunoisolated foreign cells / tissues (encapsulated in Ba2+-cross-linked alginate) show that several obligatory requirements have to be met before this immunoisolation technique can be used for routine clinical trials. We present chemical procedures and technical developments which could address and solve the current problems and limitations of the microencapsulation technique. Large-scale production of highly purified (biocompatible) alginate is possible and this material does not evoke any foreign body reactions under implantation conditions. Atomic force microscopy (AFM) studies suggest that geometric inhomogeneities may lead to immunological reactivity of the cross-linked alginate. Material traces released from fibroblasts, macrophages and / or lymphocytes migrating over surfaces can also be studied by AFM and may initiate the primary foreign body reactions. Long-term stability of the alginate beads can be improved by incorporating proteins or (medically approved) perfluorocarbons during the cross-linking process and by subsequent treatment with 6 mM sulphate. Long-term stability and local oxygen supply can be monitored in vivo using non-invasive 19F-nuclear magnetic resonance imaging (MRI) of perfluorocarbon-loaded alginate beads. These improvements and developments allow clinical trials with allogenic (and xenogenic) tissue by alginate immunoisolation. Immunisolierung von Transplantaten durch Einschluß in 19F-markierte Alginatgele: Herstellung, Biokompatibilität, Stabilität und Langzeit-Überprüfung der Funktionalität Transplantationsstudien mit fremden, immunisolierten Zellen bzw. Geweben (die in eine mit Ba2+-Ionen vernetzte Alginatkapsel eingeschlossen waren) haben gezeigt, daß zahlreiche zwingende Anforderungen erfüllt sein müssen, bevor eine routinemäßige Anwendung dieser Immunisolierungstechnik in der Klinik durchgeführt werden kann. Chemische Verfahren und technische Entwicklungen werden vorgestellt, die die bestehenden Probleme und Beschränkungen der Mikroverkapselungstechnik aufzeigen bzw. lösen. Eine halb-technische Produktion von hochgereinigtem (biokompatiblem) Alginat ist möglich. Der Nachweis wird erbracht, daß dieses Material unter Implantationsbedingungen keine Fremdkörperreaktion hervorruft. Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) weisen darauf hin, daß eine mögliche immunologische Reaktivität der Oberfläche der Alginatkapseln durch geometrische Inhomogenitäten hervorgerufen werden könnte. Die zellulären Prozesse, die die primären Fremdkörperreaktionen hervorrufen könnten (d. h. die Absonderung von Materialspuren durch Fibroblasten, Makrophagen und / oder Lymphozyten während ihrer Wanderung auf Oberflächen), können ebenso mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie aufgeklärt werden. Die Langzeitstabilität der Alginatkapseln kann durch den Einschluß von Proteinen oder von (medizinisch zugelassenen) Perfluorcarbonverbindungen während des Vernetzungsprozesses und die anschließende Behandlung der Kapseln mit 6 mM Sulfat verbessert werden. Der Implantationsort und die Langzeitstabilität von mit Perfluorcarbon beladenen Alginatkapseln sowie ihre Versorgung mit Sauerstoff können unter Verwendung der nicht-invasiven 19F-Kernspinresonanzbildgebungstechnik (NMR) überprüft werden. Die genannten Verbesserungen bzw. Entwicklungen erlauben klinische Untersuchungen mit allogenem (bzw. xenogenem) Gewebematerial, nachdem es in Alginat immunisoliert wurde.