Model Pulau Pankreas Hasil Bioprinting Mematangkan Sel di Laboratorium

Para peneliti POSTECH dan rumah sakit mitranya menggunakan bioprinting 3D untuk membangun lingkungan bagi sel pulau pankreas turunan sel punca yang meniru matriks ekstraseluler dan pembuluh darah pankreas. Studi yang terbit pada Februari 2025 ini meningkatkan pematangan sel dan sekresi insulin dalam model laboratorium. Hasilnya dapat membantu riset diabetes dan pengembangan obat, tetapi belum merupakan terapi yang diuji pada pasien maupun jaringan transplantasi siap pakai.

Apa itu diabetes?

Diabetes adalah kelompok penyakit dengan kadar glukosa darah yang terlalu tinggi karena tubuh tidak menghasilkan cukup insulin atau tidak menggunakannya secara efektif. Insulin membantu memindahkan glukosa dari darah ke sel untuk digunakan sebagai energi. Dalam jangka panjang, gula darah tinggi dapat merusak saraf, jantung, ginjal, mata, dan pembuluh darah.

Federasi Diabetes Internasional memperkirakan sekitar satu dari sepuluh orang dewasa hidup dengan diabetes pada periode terbitnya artikel ini. Pusat Pengendalian dan Pencegahan Penyakit AS (CDC) memperkirakan 38,4 juta orang, atau 11,6% populasi AS, menderita diabetes berdasarkan data 2021. Angka tersebut terikat waktu dan tidak menentukan risiko seseorang.

Diabetes tipe 1

Diabetes tipe 1 adalah penyakit autoimun: sistem kekebalan menyerang sel beta pankreas yang menghasilkan insulin. Penyakit ini dapat muncul pada usia berapa pun dan membutuhkan penggantian insulin. Perawatan saat ini dapat mengendalikannya, tetapi belum tersedia terapi penyembuh yang berlaku umum.

Diabetes tipe 2

Pada diabetes tipe 2, jaringan menjadi kurang peka terhadap insulin dan produksi insulin pankreas pada akhirnya tidak mencukupi kebutuhan. Genetika, usia, lingkungan, dan banyak faktor lain memengaruhi risiko. Aktivitas fisik, pola makan, dan pengelolaan berat badan dapat mencegah atau menunda penyakit pada sebagian orang; beberapa golongan obat dan insulin digunakan sesuai kebutuhan. Penyakit ini tidak tepat jika dijelaskan hanya sebagai akibat pilihan gaya hidup.

Riset dan perawatan saat ini

Insulin, obat penurun glukosa, pola makan, aktivitas fisik, dan pemantauan berkelanjutan merupakan bagian dari perawatan baku. Pilihannya bergantung pada jenis diabetes dan kondisi pasien. Peneliti juga mengubah sel punca pluripoten menjadi sel penghasil hormon pankreas untuk mempelajari penyakit dan menguji kandidat obat dalam lingkungan terkendali sebelum uji klinis.

Keterbatasan model laboratorium

Sel pulau yang dihasilkan dari sel punca tidak selalu matang atau merespons glukosa seperti sel pankreas dewasa. Kultur sel biasa tidak memiliki susunan tiga dimensi, matriks ekstraseluler, protein membran basal, sel endotel pembuluh, dan posisi antarsel yang tepat. Studi POSTECH berusaha menghadirkan beberapa unsur lingkungan tersebut dalam satu model.

Studi POSTECH

Nature Communications menerbitkan makalah Bioprinting of bespoke islet-specific niches to promote maturation of stem cell-derived islets pada 7 Februari 2025.¹ Peneliti menggabungkan matriks ekstraseluler pankreas, protein membran basal, sel pulau yang dibedakan dari sel punca embrionik manusia, dan sel endotel manusia dalam struktur 3D. Seluruh eksperimen yang dilaporkan merupakan kultur sel, bukan uji pada hewan atau manusia.

Sumber: POSTECH.

Pulau pankreas

Di pulau pankreas, sel beta menghasilkan insulin, sel alfa menghasilkan glukagon, dan sel delta menghasilkan somatostatin. Hormon-hormon itu bersama-sama membantu mengatur gula darah. Pulau alami memiliki banyak pembuluh darah sehingga sel dapat mendeteksi glukosa dan melepaskan hormon dengan cepat ke aliran darah.

Matriks ekstraseluler dan membran basal

Matriks ekstraseluler (ECM) memberi sel dukungan struktural dan sinyal biokimia. Protein membran basal seperti laminin dan kolagen IV hanya merupakan bagian kecil dari proteom pankreas, tetapi mendukung penempelan sel, sinyal integrin, dan respons glukosa. Ketika sel dibuang dari jaringan untuk membuat bahan bioink, sebagian protein ini dapat hilang.

Bioink PINE

Tim menyiapkan ECM dari jaringan pankreas babi yang telah didekellularisasi, lalu menambahkan laminin dan kolagen IV. Campuran yang meniru lingkungan di sekitar pulau ini dinamai PINE, singkatan dari peri-islet niche-like ECM. Dibandingkan kelompok kolagen dan ECM pankreas tanpa tambahan, sel turunan sel punca dalam PINE menunjukkan lebih banyak penanda beta INS dan CHGA serta mengeluarkan lebih banyak insulin ketika dirangsang glukosa tinggi. Ekspresi insulin dilaporkan bertahan sampai hari ke-14.

Struktur HICA-V

Dalam model HICA-V, bahan PINE menjadi bak cetak. Sel pulau dan garis menyerupai pembuluh yang berisi sel endotel dicetak dengan geometri yang ditentukan. Tujuannya mendekatkan pulau, ECM, dan sel pembuluh seperti pada jaringan alami. Model ini belum menjadi organ yang tersambung ke sirkulasi darah fungsional.

Eksperimen dan hasil

Peneliti membedakan sel punca embrionik manusia menjadi sel hormon pankreas, membentuk agregat, kemudian membandingkan beberapa bioink serta pola sel acak dan berpanduan geometri. HICA-V mengeluarkan insulin 3,63 kali lebih banyak pada kondisi glukosa rendah dan 3,82 kali lebih banyak pada glukosa tinggi dibandingkan kelompok berpola acak. Namun, indeks sekresi insulin terstimulasi glukosa tetap sebanding antarkelompok. Hasil itu menunjukkan sekresi total yang lebih tinggi, bukan pemulihan seluruh pengaturan pankreas normal.

Model juga memberikan respons terhadap kondisi inflamasi dan dipakai untuk memeriksa respons obat dalam studi tersebut. Temuan ini mendukung penggunaannya sebagai alat pembanding mekanisme penyakit dan kandidat obat, tetapi belum membuktikan keamanan, fungsi jangka panjang, atau efektivitas pada manusia.

Manfaat dan batas penerapan

Model 3D yang lebih konsisten dapat membantu peneliti membandingkan obat diabetes, mempelajari interaksi sel pulau dengan pembuluh, dan melengkapi kultur dua dimensi yang terlalu sederhana. Untuk berkembang menjadi jaringan transplantasi, masih perlu penyelesaian atas sirkulasi fungsional, penolakan imun, kemurnian sel, risiko tumor, reproduksibilitas produksi, pemantauan jangka panjang, dan persyaratan regulator.

Klaim artikel lama bahwa teknologi ini mungkin tersedia bagi publik dalam lima tahun tidak berasal dari jadwal yang dibuktikan makalah. Studi tersebut tidak melaporkan uji klinis ataupun perkiraan waktu masuk pasar.

Tim riset dan pendanaan

Studi dipimpin oleh Myungji Kim dan penulis korespondensi Profesor Jinah Jang. Seungyeun Cho, Dong Gyu Hwang, In Kyong Shim, Song Cheol Kim, dan Jiwon Jang turut berkontribusi melalui POSTECH, Asan Medical Center, University of Ulsan College of Medicine, dan Yonsei University. Program pemerintah Korea di bidang sains, kesehatan, dan industri mendanai pekerjaan ini. Myungji Kim dan Jinah Jang mengungkap permohonan paten Korea yang masih berjalan terkait bioink PINE; hubungan kepentingan ini perlu diperhatikan saat menilai hasil.

Sudut pandang perusahaan: penghantaran obat berbeda dari bioprinting

Pasar perawatan diabetes mencakup obat, alat ukur, pompa, dan teknologi penghantaran. Perusahaan berikut tidak ikut dalam riset POSTECH, dan teknologinya bukan pulau pankreas hasil bioprinting.

Halozyme Therapeutics

Halozyme Therapeutics (HALO ) mengembangkan teknologi ENHANZE dan perangkat injeksi untuk mempermudah penghantaran obat di bawah kulit. ENHANZE memakai enzim rekombinan manusia hyaluronidase PH20 (rHuPH20), yang untuk sementara memecah asam hialuronat di jaringan subkutan sehingga volume obat yang lebih besar dapat diberikan. Pendapatan perusahaan bergantung pada produk mitra, persetujuan regulator, royalti, paten, dan persaingan; kinerja saham masa lalu maupun proyeksi analis tidak menjamin hasil mendatang.

Kabar terbaru Halozyme Therapeutics

Kesimpulan

Bioink PINE dan struktur HICA-V menghasilkan lingkungan laboratorium yang lebih menyerupai jaringan alami bagi sel pankreas turunan sel punca. Nilai temuan ini saat ini terletak pada model uji yang lebih baik untuk mempelajari pematangan pulau, inflamasi, dan respons obat. Studi belum memberikan bukti bahwa model tersebut menyembuhkan diabetes pada pasien, aman untuk transplantasi, atau memiliki jadwal komersial tertentu.

Baca artikel lain tentang teknologi kesehatan.

Referensi

^{1. Kim, M., Cho, S., Hwang, D. G. et al. Bioprinting of bespoke islet-specific niches to promote maturation of stem cell-derived islets. Nature Communications 16, 1430 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56665-5.}