CREDITO: Claudia Liu e il dottor Siddharth Krishnan, MIT/Ospedale pediatrico di Boston
Il prototipo di dispositivo contiene cellule incapsulate che producono insulina, oltre a una piccola fabbrica di ossigeno che mantiene le cellule sane.
Un approccio promettente per il trattamento del diabete di tipo 1 è l’impianto di cellule delle isole pancreatiche in grado di produrre insulina quando necessario, liberando così i pazienti dal farsi frequenti iniezioni di insulina. Tuttavia, uno dei principali ostacoli a questo approccio è che, una volta impiantate, le cellule finiscono per rimanere senza ossigeno e smettono di produrre insulina.
Per superare questo ostacolo, gli ingegneri del MIT hanno progettato un nuovo dispositivo impiantabile che non solo trasporta centinaia di migliaia di cellule insulari produttrici di insulina, ma ha anche una propria fabbrica di ossigeno a bordo, che genera ossigeno scindendo il vapore acqueo presente nel corpo.
I ricercatori hanno dimostrato che, quando impiantato in topi diabetici, questo dispositivo potrebbe mantenere stabili i livelli di glucosio nel sangue dei topi per almeno un mese. I ricercatori ora sperano di creare una versione più grande del dispositivo, delle dimensioni di un bastoncino di gomma da masticare, che potrebbe eventualmente essere testata su persone con diabete di tipo 1.
“Si può pensare a questo come a un dispositivo medico vivente costituito da cellule umane che secernono insulina, insieme a un sistema elettronico di supporto vitale. Siamo entusiasti dei progressi compiuti finora e siamo davvero ottimisti sul fatto che questa tecnologia possa finire per aiutare i pazienti”, afferma Daniel Anderson, professore presso il Dipartimento di ingegneria chimica del MIT e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research and Institute del MIT. for Medical Engineering and Science (IMES) e autore senior dello studio.
Sebbene l’attenzione principale dei ricercatori sia rivolta al trattamento del diabete, essi affermano che questo tipo di dispositivo potrebbe essere adattato anche per trattare altre malattie che richiedono la somministrazione ripetuta di proteine ??terapeutiche.
Il ricercatore del MIT Siddharth Krishnan è l’autore principale dell’articolo, che appare oggi negli Proceedings of the National Academy of Sciences. Il gruppo di ricerca comprende anche diversi altri ricercatori del MIT, tra cui Robert Langer, professore del David H. Koch Institute del MIT e membro del Koch Institute, nonché ricercatori del Boston Children’s Hospital.
Sostituzione delle iniezioni
La maggior parte dei pazienti con diabete di tipo 1 deve monitorare attentamente i livelli di glucosio nel sangue e iniettarsi insulina almeno una volta al giorno. Tuttavia, questo processo non replica la capacità naturale del corpo di controllare i livelli di glucosio nel sangue.
“La stragrande maggioranza dei diabetici insulino-dipendenti si inietta l’insulina e fa del suo meglio, ma non ha livelli di zucchero nel sangue sani”, afferma Anderson. “Se guardi i livelli di zucchero nel sangue, anche quelli delle persone che sono molto attente, non riescono a eguagliare ciò che può fare un pancreas vivente.”
Un’alternativa migliore sarebbe quella di trapiantare cellule che producono insulina ogni volta che rilevano picchi nei livelli di glucosio nel sangue del paziente. Alcuni pazienti diabetici hanno ricevuto cellule insulari trapiantate da cadaveri umani, che possono ottenere un controllo a lungo termine del diabete; tuttavia, questi pazienti devono assumere farmaci immunosoppressori per evitare che il loro organismo rigetti le cellule impiantate.
Più recentemente, i ricercatori hanno dimostrato un successo simile con le cellule insulari derivate da cellule staminali, ma i pazienti che ricevono quelle cellule devono assumere anche farmaci immunosoppressori.
Un’altra possibilità, che potrebbe evitare la necessità di farmaci immunosoppressori, è quella di incapsulare le cellule trapiantate all’interno di un dispositivo flessibile che protegga le cellule dal sistema immunitario. Tuttavia, trovare un apporto affidabile di ossigeno per queste cellule incapsulate si è rivelato impegnativo.
Alcuni dispositivi sperimentali, incluso uno che è stato testato in studi clinici, sono dotati di una camera di ossigeno che può rifornire le cellule, ma questa camera deve essere ricaricata periodicamente. Altri ricercatori hanno sviluppato impianti che includono reagenti chimici in grado di generare ossigeno, ma anche questi prima o poi si esauriscono.
Il MIT che approccio ha impiegato?
Il team del MIT ha adottato un approccio diverso che potrebbe potenzialmente generare ossigeno indefinitamente, dividendo l’acqua. Ciò viene fatto utilizzando una membrana di scambio protonico – una tecnologia originariamente utilizzata per generare idrogeno nelle celle a combustibile – situata all’interno del dispositivo. Questa membrana può dividere il vapore acqueo (che si trova in abbondanza nel corpo) in idrogeno, che si diffonde in modo innocuo, e ossigeno, che entra in una camera di stoccaggio che alimenta le cellule delle isole attraverso una sottile membrana permeabile all’ossigeno.
Un vantaggio significativo di questo approccio è che non richiede cavi o batterie. La scissione di questo vapore acqueo richiede una piccola tensione (circa 2 volt), che viene generata utilizzando un fenomeno noto come accoppiamento induttivo risonante. Una bobina magnetica sintonizzata situata all’esterno del corpo trasmette energia a un’antenna piccola e flessibile all’interno del dispositivo, consentendo il trasferimento di energia wireless. Richiede una bobina esterna, che secondo i ricercatori potrebbe essere indossata come un cerotto sulla pelle del paziente.
Farmaci “on demand”
Dopo aver costruito il loro dispositivo, che ha le dimensioni di un quarto di dollaro americano, i ricercatori lo hanno testato su topi diabetici. Un gruppo di topi ha ricevuto il dispositivo con la membrana che genera ossigeno e divide l’acqua, mentre l’altro gruppo ha ricevuto un dispositivo che conteneva cellule insulari senza ossigeno supplementare. I dispositivi sono stati impiantati appena sotto la pelle, in topi con un sistema immunitario perfettamente funzionante.
I ricercatori hanno scoperto che i topi a cui era stato impiantato il dispositivo generatore di ossigeno erano in grado di mantenere livelli normali di glucosio nel sangue, paragonabili a quelli degli animali sani. Tuttavia, i topi che hanno ricevuto il dispositivo non ossigenato sono diventati iperglicemici (con elevati livelli di zucchero nel sangue) entro circa due settimane.
In genere, quando qualsiasi tipo di dispositivo medico viene impiantato nel corpo, l’attacco del sistema immunitario porta ad un accumulo di tessuto cicatrizzato chiamato fibrosi, che può ridurre l’efficacia dei dispositivi. Questo tipo di tessuto cicatriziale si è formato intorno agli impianti utilizzati in questo studio, ma il successo del dispositivo nel controllare i livelli di glucosio nel sangue suggerisce che l’insulina era ancora in grado di diffondersi fuori dal dispositivo e il glucosio al suo interno.
Questo approccio potrebbe essere utilizzato anche per fornire cellule che producono altri tipi di proteine ??terapeutiche che devono essere somministrate per lunghi periodi di tempo. In questo studio, i ricercatori hanno dimostrato che il dispositivo potrebbe anche mantenere in vita le cellule che producono eritropoietina, una proteina che stimola la produzione di globuli rossi.
“Siamo ottimisti sul fatto che sarà possibile realizzare dispositivi medici viventi in grado di risiedere nel corpo e produrre farmaci secondo necessità”, afferma Anderson. “Esistono diverse malattie in cui i pazienti necessitano di assumere proteine ??per via esogena, a volte molto frequentemente. Se potessimo sostituire la necessità di infusioni ogni due settimane con un singolo impianto che possa agire a lungo, penso che ciò potrebbe davvero aiutare molti pazienti”.
I ricercatori ora pianificano di adattare il dispositivo per i test su animali più grandi e infine sugli esseri umani. Per uso umano, sperano di sviluppare un impianto che abbia le dimensioni di un bastoncino di gomma da masticare. Hanno anche in programma di verificare se il dispositivo può rimanere nel corpo per periodi di tempo più lunghi.
“I materiali che abbiamo utilizzato sono intrinsecamente stabili e di lunga durata, quindi penso che questo tipo di operazione a lungo termine rientri nel regno delle possibilità, ed è ciò su cui stiamo lavorando”, afferma Krishnan.
“Siamo molto entusiasti di questi risultati, che crediamo potrebbero fornire un modo completamente nuovo di trattare un giorno il diabete e forse altre malattie”, aggiunge Langer.
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La ricerca è stata finanziata da JDRF, dal Leona M. e Harry B. Helmsley Charitable Trust e dal National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering presso il National Institutes of Health.