Multidisciplinary approaches in developing immune-evasive β-cell replacement therapies for type 1 diabetes

Abstract

Abstract: Type 1 Diabetes (T1D) is an autoimmune disorder characterized by the destruction of insulin producing pancreatic β-cells, leading to chronic hyperglycemia and associated severe complications. Current therapeutic strategies, including insulin therapy and islet transplantation, are limited by incomplete glycemic control, donor scarcity, and immune rejection. This thesis aims to overcome these challenges by integrating biomaterials, genetic engineering, and computational modeling to develop innovative β-cell replacement therapies. Firstly, Gelatin Methacryloyl (GelMA) hydrogels were optimized using visible-light photocrosslinking techniques. An Artificial Neural Network (ANN)- based computational model was developed to predict key hydrogel properties, significantly enhancing biomaterial design efficiency and efficacy for encapsulation and transplantation of β-cells. Secondly, genetic modifications were explored using CRISPR/Cas9 technology, initially targeting single genes (RNLS and HIVEP2) implicated in immune modulation and cellular protection. Despite successful gene editing, these single-gene knockout approaches failed to protect β-cells from immune rejection, highlighting the need for more comprehensive strategies. Consequently, a multi faceted genetic approach was developed, combining knockout of major histocompatibility complex genes (β2M and CIITA) with overexpression of immunomodulatory molecules (murine H2-Kᵇ, CD47, CD55) to comprehensively evade immune detection. Overall, this thesis demonstrates that integrating computational modeling, genetic engineering, and biomaterial science provides a powerful, synergistic platform for developing next-generation cellular therapies for T1D. The methodologies established have broad translational potential for addressing immune rejection and improving graft survival, ultimately paving the way toward clinically viable, personalized regenerative medicine approaches.Özet: Tip 1 Diyabet (T1D), insülin üreten pankreatik β-hücrelerinin otoimmün saldırıyla yok edildiği, kronik hiperglisemi ve ciddi komplikasyonlara yol açan bir hastalıktır. Mevcut tedavi yöntemleri olan insülin tedavisi ve adacık nakli, glisemik kontrolün tam sağlanamaması, donör yetersizliği ve immün reddedilme nedeniyle kısıtlı kalmaktadır. Bu tez, biyomalzeme, genetik mühendislik ve hesaplamalı modelleme yöntemlerini bütünleştirerek yenilikçi β-hücresi tedavi yöntemleri geliştirmeyi amaçlamaktadır. İlk olarak, görünür ışık fotopolimerizasyon ile çapraz bağlanmış Jelatin Metakriloil (GelMA) hidrojellerinin özellikleri optimize edilmiştir. Hidrojel tasarımının etkinliğini ve verimliliğini büyük ölçüde artıran Yapay Sinir Ağı (YSA) tabanlı hesaplamalı bir model geliştirilmiş ve temel hidrojel özellikleri başarıyla tahmin edilmiştir. İkinci olarak, immün modülasyon ve hücresel korumayla ilişkili RNLS ve HIVEP2 genlerine yönelik CRISPR/Cas9 teknolojisiyle tek gen hedefleme stratejileri uygulanmıştır. Genetik düzenlemeler başarılı olsa da bu tek-gen knockout yaklaşımlarının immün reddi engelleyemediği görülmüş, bu da daha kapsamlı stratejilere ihtiyaç olduğunu ortaya koymuştur. Bu nedenle, majör histokompatibilite kompleks genlerinin (β2M ve CIITA) knockout edilmesiyle birlikte immün modülatör moleküllerin (fare H2–Kᵇ, CD47, CD55) aşırı ekspresyonunu içeren çok yönlü bir genetik strateji geliştirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez hesaplamalı modelleme, genetik mühendislik ve biyomalzeme bilimlerinin interdisipliner olarak kullanımının, T1D için yeni nesil hücresel terapilerin geliştirilmesinde güçlü ve sinerjik bir platform sağladığını göstermektedir. Geliştirilen yöntemler, immün reddi engelleme ve greft sağkalımını artırmada geniş translasyonel potansiyele sahiptir ve klinik olarak uygulanabilir, kişiselleştirilmiş rejeneratif tıp yaklaşımlarına önemli bir temel oluşturmaktadır.