Optimization of an O2-balanced bioartificial pancreas for type 1 diabetes using statistical design of experiment

Abstract

A bioartificial pancreas (BAP) encapsulating high pancreatic islets concentration is a promising alternative for type 1 diabetes therapy. However, the main limitation of this approach is O2 supply, especially until graft neovascularization. Here, we described a methodology to design an optimal O2-balanced BAP using statistical design of experiment (DoE). A full factorial DoE was first performed to screen two O2-technologies on their ability to preserve pseudo-islet viability and function under hypoxia and normoxia. Then, response surface methodology was used to define the optimal O2-carrier and islet seeding concentrations to maximize the number of viable pseudo-islets in the BAP containing an O2-generator under hypoxia. Monitoring of viability, function and maturation of neonatal pig islets for 15 days in vitro demonstrated the efficiency of the optimal O2-balanced BAP. The findings should allow the design of a more realistic BAP for humans with high islets concentration by maintaining the O2 balance in the device.

Trasplantes pancreáticos como futuras alternativas terapéuticas para pacientes con diabetes mellitus tipo 1: revisión panorámica

“…2,8,9,12 Se ha demostrado que el éxito de la implantación de un páncreas bioartificial depende de la oxigenación, manteniendo el objetivo de presiones parciales de O 2 (pO 2 ) de 40 mmHg (5%) en el trasplante; sin embargo, los sitios de implantación utilizados no han proporcionado la oxigenación e irrigación necesaria para mantener a las células con vida a largo plazo y no se menciona la vena cava como un posible sitio de implantación en comparación con los alotrasplantes de islotes. 7,13 Por último, los páncreas bioartificiales dependen de un sistema de encapsulamiento obligatorio para la supervivencia a largo plazo de los islotes, aunado al uso de terapia inmunosupresora de por vida para evitar infiltrados inflamatorios que ocasionen un daño; sin embargo, debido a la encapsulación, la liberación de insulina no es precisa, los islotes pierden su vasculatura y la membrana de inmunoaislamiento impide la revascularización; por ello, es necesario innovar en técnicas que permitan una mejor comunicación entre el interior y exterior de las células trasplantadas como el uso de modelos teóricos para predecir la distribución de O 2 y las regiones hipóxicas, según la geometría del dispositivo, la densidad de los islotes y la difusión de O 2 . 2,6 La finalidad es mejorar la calidad de vida del paciente.…”

Viability and Functionality of Neonatal Porcine Islet-like Cell Clusters Bioprinted in Alginate-Based Bioinks

“…With the addition of theophylline, the SI has been reported as 17 after 1 week [ 80 ], as 2.7 [ 81 ], as well as 40 [ 12 ] after 10 days; with the addition of arginine as a 4–5-fold increase in high glucose on day 9 [ 52 ]. For NICC encapsulated in alginate, Park et al [ 56 ] reported an SI of two without cAMP-increasing agents after 2 and 4 weeks, and Mouré et al [ 82 ] using theophylline reported an SI of three after 3 days and an SI of 13 calculated as a mean of 2 weeks. Tatarkiewicz et al [ 81 ] on the other hand reported non-functionality (SI = 1.3) even with theophylline, after 10 days of culture.…”