El dispositivo contiene células encapsuladas que producen insulina, además de una pequeña fábrica productora de oxígeno que mantiene las células sanas.
Un enfoque prometedor para tratar la diabetes tipo 1 es implantar células de los islotes pancreáticos que puedan producir insulina cuando sea necesario, lo que puede liberar a los pacientes de inyectarse frecuentemente insulina. Sin embargo, un obstáculo importante para este enfoque es que una vez que las células se implantan, eventualmente se quedan sin oxígeno y dejan de producir insulina.
Para superar ese obstáculo, los ingenieros del MIT han diseñado un nuevo dispositivo implantable que no sólo transporta cientos de miles de células de los islotes productores de insulina, sino que también tiene su propia fábrica de oxígeno a bordo, que genera oxígeno al dividir el vapor de agua que se encuentra en el cuerpo.
Los investigadores demostraron que cuando se implantaba en ratones diabéticos, este dispositivo podía mantener estables los niveles de glucosa en sangre de los ratones durante al menos un mes. Los investigadores ahora esperan crear una versión más grande del dispositivo, aproximadamente del tamaño de una barra de chicle, que eventualmente podría probarse en personas con diabetes tipo 1.
“Se puede pensar en esto como un dispositivo médico vivo hecho de células humanas que secretan insulina, junto con un sistema electrónico de soporte vital. Estamos entusiasmados con el progreso hasta ahora y somos realmente optimistas de que esta tecnología podría terminar ayudando a los pacientes”, dice Daniel Anderson, profesor del Departamento de Ingeniería Química del MIT, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT. de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) y autor principal del estudio.
Si bien el objetivo principal de los investigadores es el tratamiento de la diabetes, dicen que este tipo de dispositivo también podría adaptarse para tratar otras enfermedades que requieren la administración repetida de proteínas terapéuticas.
El científico investigador del MIT Siddharth Krishnan es el autor principal del artículo , que aparece hoy en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias . El equipo de investigación también incluye a varios otros investigadores del MIT, incluido Robert Langer, profesor del Instituto David H. Koch del MIT y miembro del Instituto Koch, así como investigadores del Boston Children’s Hospital.
Reemplazo de inyecciones
La mayoría de los pacientes con diabetes tipo 1 deben controlar cuidadosamente sus niveles de glucosa en sangre e inyectarse insulina al menos una vez al día. Sin embargo, este proceso no replica la capacidad natural del cuerpo para controlar los niveles de glucosa en sangre.
«La gran mayoría de los diabéticos que son dependientes de la insulina se inyectan insulina y hacen lo mejor que pueden, pero no tienen niveles saludables de azúcar en la sangre», dice Anderson. «Si nos fijamos en sus niveles de azúcar en la sangre, incluso en el caso de personas muy dedicadas a ser cuidadosas, simplemente no pueden igualar lo que puede hacer un páncreas vivo».
Una mejor alternativa sería trasplantar células que produzcan insulina cada vez que detecten aumentos repentinos en los niveles de glucosa en sangre del paciente. Algunos pacientes con diabetes han recibido células de los islotes trasplantadas de cadáveres humanos, lo que puede lograr el control de la diabetes a largo plazo; sin embargo, estos pacientes deben tomar medicamentos inmunosupresores para evitar que su cuerpo rechace las células implantadas.
Más recientemente, los investigadores han demostrado un éxito similar con células de los islotes derivadas de células madre, pero los pacientes que reciben esas células también necesitan tomar medicamentos inmunosupresores.
Otra posibilidad, que podría evitar la necesidad de fármacos inmunosupresores, es encapsular las células trasplantadas dentro de un dispositivo flexible que las proteja del sistema inmunológico. Sin embargo, encontrar un suministro de oxígeno confiable para estas células encapsuladas ha resultado un desafío.
Algunos dispositivos experimentales, incluido uno que ha sido probado en ensayos clínicos, cuentan con una cámara de oxígeno que puede suministrar a las células, pero esta cámara debe recargarse periódicamente. Otros investigadores han desarrollado implantes que incluyen reactivos químicos que pueden generar oxígeno, pero estos también eventualmente se agotan.
El equipo del MIT adoptó un enfoque diferente que potencialmente podría generar oxígeno de forma indefinida, dividiendo el agua. Esto se hace utilizando una membrana de intercambio de protones, una tecnología originalmente implementada para generar hidrógeno en celdas de combustible, ubicada dentro del dispositivo. Esta membrana puede dividir el vapor de agua (que se encuentra en abundancia en el cuerpo) en hidrógeno, que se difunde sin causar daño, y oxígeno, que entra en una cámara de almacenamiento que alimenta las células de los islotes a través de una membrana delgada y permeable al oxígeno.
Una ventaja significativa de este enfoque es que no requiere cables ni baterías. Para dividir este vapor de agua se requiere un pequeño voltaje (alrededor de 2 voltios), que se genera mediante un fenómeno conocido como acoplamiento inductivo resonante. Una bobina magnética sintonizada ubicada fuera del cuerpo transmite energía a una antena pequeña y flexible dentro del dispositivo, lo que permite la transferencia de energía inalámbrica. Requiere una bobina externa, que los investigadores anticipan podría usarse como un parche en la piel del paciente.
Drogas a pedido
Después de construir su dispositivo, que tiene aproximadamente el tamaño de una moneda de veinticinco centavos de dólar estadounidense, los investigadores lo probaron en ratones diabéticos. Un grupo de ratones recibió el dispositivo con una membrana que divide el agua y genera oxígeno, mientras que el otro recibió un dispositivo que contenía células de los islotes sin oxígeno suplementario. Los dispositivos se implantaron justo debajo de la piel, en ratones con sistemas inmunológicos completamente funcionales.
Los investigadores descubrieron que los ratones a los que se les implantó el dispositivo generador de oxígeno podían mantener niveles normales de glucosa en sangre, comparables a los de los animales sanos. Sin embargo, los ratones que recibieron el dispositivo no oxigenado se volvieron hiperglucémicos (con niveles elevados de azúcar en la sangre) en aproximadamente dos semanas.
Normalmente, cuando se implanta cualquier tipo de dispositivo médico en el cuerpo, el ataque del sistema inmunológico provoca una acumulación de tejido cicatricial llamado fibrosis, que puede reducir la eficacia de los dispositivos. Este tipo de tejido cicatricial se formó alrededor de los implantes utilizados en este estudio, pero el éxito del dispositivo en controlar los niveles de glucosa en sangre sugiere que la insulina aún podía difundirse fuera del dispositivo y la glucosa hacia él.
Este enfoque también podría usarse para administrar células que produzcan otros tipos de proteínas terapéuticas que deben administrarse durante largos períodos de tiempo. En este estudio, los investigadores demostraron que el dispositivo también podría mantener vivas las células que producen eritropoyetina, una proteína que estimula la producción de glóbulos rojos.
«Somos optimistas de que será posible crear dispositivos médicos vivos que puedan residir en el cuerpo y producir medicamentos según sea necesario», dice Anderson.
“Existe una variedad de enfermedades en las que los pacientes necesitan tomar proteínas de forma exógena, a veces con mucha frecuencia. Si podemos reemplazar la necesidad de infusiones cada dos semanas con un único implante que pueda actuar durante mucho tiempo, creo que eso realmente podría ayudar a muchos pacientes”.
Los investigadores ahora planean adaptar el dispositivo para probarlo en animales más grandes y, eventualmente, en humanos. Para uso humano, esperan desarrollar un implante que sea aproximadamente del tamaño de una barra de chicle. También planean probar si el dispositivo puede permanecer en el cuerpo durante períodos de tiempo más largos.
«Los materiales que hemos utilizado son inherentemente estables y de larga duración, por lo que creo que ese tipo de operación a largo plazo está dentro del ámbito de lo posible, y en eso estamos trabajando», dice Krishnan.
«Estamos muy entusiasmados con estos hallazgos, que creemos que algún día podrían proporcionar una forma completamente nueva de tratar la diabetes y posiblemente otras enfermedades», añade Langer.
La investigación fue financiada por JDRF, Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust y el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería de los Institutos Nacionales de Salud.
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