Microinfusore/CGM/Pancreas artificiale

I ricercatori di Stanford sviluppano un biosensore in tempo reale per il monitoraggio continuo della concentrazione sanguigna

I ricercatori di Stanford hanno sviluppato un nuovo biosensore con la capacità di rilevare e monitorare continuamente la concentrazione ematica di insulina e glucosio in tempo reale. Il sistema, soprannominato ELISA in real time o RT-ELISA, rappresenta una svolta nella tecnologia di monitoraggio continuo dei pazienti e potrebbe rivoluzionare il modo in cui i medici trattano le malattie.

I ricercatori del laboratorio di bioingegneria di Tom Soh hanno ampliato la tecnologia esistente di ELISA, un test spesso utilizzato per rilevare la presenza e la concentrazione di un particolare anticorpo, ormone o altro composto in un campione di sangue. L’attuale tecnologia ELISA non è in grado di funzionare continuamente; può solo rappresentare una “istantanea” di ciò che stava accadendo nel corpo nell’istante in cui è stato prelevato il campione di sangue. Inoltre, i risultati non sono istantanei e richiedono da una a quattro ore (o talvolta durante la notte) per l’elaborazione, secondo Caitlin Maikawa, Ph.D. ’21 in bioingegneria e co-autore principale di un recente studio che coinvolge RT-ELISA pubblicato su Nature Biomedical Engineering.

Pubblicità e progresso

Al contrario, RT-ELISA è in grado di fornire risultati istantaneamente e segnala i cambiamenti nella chimica del sangue nel tempo, fornendo “filmati” al posto di “istantanee”. Secondo lo studio, il dispositivo funziona continuamente per prelevare una piccola quantità di sangue da un paziente e passarlo attraverso un microchip. All’interno di questo microchip, il sangue viene miscelato con minuscole perle che sono tempestate di proteine ??anticorpali o aptameri che si attaccano al composto di interesse. Una volta che questo composto target è stato catturato, il tallone inizia a brillare a causa delle etichette fluorescenti che vengono eccitate da un laser. Quando più del composto bersaglio è presente nel sangue, più sfere brillano. Una telecamera ad alta velocità segnala istantaneamente la concentrazione della sostanza target misurando la quantità di luce emessa dal campione.

Un’altra caratteristica importante di RT-ELISA è la sua adattabilità. In passato, i pochi sistemi di monitoraggio continuo disponibili erano costruiti per rilevare solo una molecola bersaglio specifica come il glucosio o il lattato. Al contrario, le microsfere nell’RT-ELISA, che sono attualmente utilizzate per intrappolare il glucosio e l’insulina, potrebbero essere modificate per catturare diversi bersagli. Secondo Maikawa, è probabile che quasi tutte le sostanze per le quali i ricercatori hanno attualmente un anticorpo o un aptamero “potrebbero essere facilmente sottoposte a questa piattaforma e misurate”.

RT-ELISA potrebbe anche consentire ai pazienti diabetici di “guardare” il loro corpo elaborare l’insulina e adattare il loro regime di dosaggio alle esigenze individuali.

Secondo lo studio, l’RT-ELISA è stato recentemente utilizzato per rilevare continuamente la presenza di glucosio e insulina nei ratti.

Conoscere la velocità con cui un paziente elabora l’insulina è incredibilmente importante, ha spiegato Maikawa. Ma poiché l’insulina nel sangue è presente solo in quantità molto basse nei pazienti diabetici, la maggior parte dei dispositivi di monitoraggio continuo non è in grado di misurarla. Invece, i pazienti utilizzano monitor di glucosio continui, che misurano la concentrazione di glucosio nel liquido interstiziale, o il fluido tra i vasi sanguigni e le cellule, piuttosto che il sangue stesso, per monitorare indirettamente il passaggio di insulina attraverso il loro corpo.

“Il liquido interstiziale ha un ritardo di circa 15 minuti rispetto alle effettive concentrazioni di glucosio nel sangue”, ha detto Maikawa. “Quindi, le concentrazioni che stai vedendo in questi monitor di glucosio continui sono leggermente ritardate.”

Al contrario, utilizzando RT-ELISA, i ricercatori non devono tenere conto di alcun ritardo perché “stanno misurando le concentrazioni esatte [di glucosio] nel sangue che erano presenti in quel momento”, ha detto Maikawa.

Poiché non vi è alcun ritardo, Soh ha affermato che RT-ELISA “è davvero adatto per l’uso in ospedale” a causa dell ‘”accesso diretto al sangue” dei medici e delle proprietà di monitoraggio continuo del dispositivo.

Inoltre, grazie alla capacità di RT-ELISA di rilevare sostanze a piccole concentrazioni, il dispositivo può monitorare direttamente la velocità con cui un paziente elabora l’insulina.

Attualmente, i tassi di assorbimento dell’insulina del paziente sono stimati utilizzando una curva di popolazione, ma queste stime non sono sempre accurate.

“Il sito di iniezione, la tecnica di iniezione o anche cose come la temperatura possono cambiare la velocità con cui l’insulina viene assorbita in un singolo individuo in vari momenti della giornata”, ha detto Maikawa. Le differenze tra i pazienti possono anche influenzare il tasso di assorbimento dell’insulina. Le capacità di monitoraggio RT-ELISA potrebbero aiutare i pazienti a regolare il loro programma di dosaggio per adattarlo al tasso di assorbimento unico del loro corpo.

Guardando al futuro

Rayhan Lal, un endocrinologo (non affiliato allo studio) e membro del Stanford Diabetes Research Center – e lui stesso diabetico di tipo 1 – ha spiegato che quando gli è stato diagnosticato, il modo per misurare i livelli di zucchero nel sangue era di “prendere un ago, pungersi il dito, mettere il sangue su una striscia, attendere circa un minuto … e se sei fortunato, lo strumento ricorderà qual è stato l’ultimo livello di zucchero nel sangue che aveva controllato.”

Definendo i monitor continui del glucosio “un reale miglioramento della qualità della vita”, Lal ha affermato che uno degli eventuali vantaggi della tecnologia sviluppata da Soh e dai suoi colleghi potrebbe essere l’utilizzo come “strumento di rilevamento dei guasti” per determinare se le curve della popolazione sono accurate.

Per i pazienti con diabete di tipo 2, Lal ha spiegato che i loro corpi spesso producono insulina, ma non abbastanza.

“Nello spazio di tipo 2, c’è anche la necessità di sapere quanta insulina proviene dal corpo della persona rispetto a quanta insulina proviene da ciò che abbiamo chiesto loro di iniettare”, ha detto.

“Questa è una delle bellezze della tecnologia [di Soh]”, ha continuato. “Potresti essere in grado di differenziare questi due perché la sequenza di amminoacidi di ciò che iniettiamo è leggermente diversa da quella che il corpo produce normalmente.”

Mentre la ricerca passata si è concentrata principalmente sui marcatori del diabete come l’insulina e il glucosio, Soh ha ribadito che il suo attuale dispositivo è il modello di “prima generazione” di un biosensore. Soh ha detto che spera di utilizzare il modello di seconda generazione per monitorare le concentrazioni di citochine (una molecola di comunicazione a breve distanza) per trattare meglio i pazienti estremamente malati. Spera di sviluppare ulteriori generazioni per fornire un trattamento precoce e più mirato per altre malattie.

Soh ha affermato che l’attuale panorama sanitario si concentra sul trattamento dopo la comparsa dei sintomi; Il trattamento pre-sintomatico di molte malattie, tuttavia, è spesso l’opzione migliore. Dispositivi simili a RT-ELISA hanno il potenziale per aumentare il trattamento presintomatico grazie al monitoraggio continuo che rileva le malattie prima che si manifestino i sintomi.

“Come società nel suo insieme, dovremmo lavorare su questo lato, piuttosto che quando le cose sono completamente fuori controllo”, ha detto Soh.

Anche così, Lal ha messo in guardia dal presumere che le persone utilizzeranno effettivamente il dispositivo di monitoraggio continuo. Ad esempio, qualcuno con una storia di un tratto ereditario del cancro potrebbe essere incline a indossare il dispositivo per prendere il cancro precocemente, ma i membri della popolazione generale potrebbero non essere così disponibili.

Una potenziale soluzione a questo problema potrebbe essere l’implementazione della tecnologia in dispositivi che le persone già utilizzano. Ad esempio, Lal ha sottolineato che Samsung e Apple stanno entrambi lavorando allo sviluppo di un monitor del glucosio non invasivo che può essere combinato con gli smartwatch.

Soh ha detto che l’obiettivo principale a questo punto rimane sui pazienti diabetici, quelli con malattie neurodegenerative e l’uso in ospedale su pazienti estremamente malati. Ma è fiducioso che un giorno la ricerca andrà oltre la semplice risposta alla malattia e inizierà a “creare una tecnologia che possa costantemente agire da sentinella”.