Para las personas con diabetes tipo 1, el desarrollo de hipoglucemia o bajo nivel de azúcar en la sangre, es una amenaza siempre presente. Cuando los niveles de glucosa se vuelven extremadamente bajos, crea una situación potencialmente mortal para la cual el tratamiento estándar de la atención inyecta una hormona llamada glucagón.
Como respaldo de emergencia, para los casos en que los pacientes pueden no darse cuenta de que su azúcar en la sangre está cayendo a niveles peligrosos, los ingenieros del MIT han diseñado un depósito implantable que puede permanecer debajo de la piel y ser provocado para liberar glucagón cuando los niveles de azúcar en la sangre se reducen.
Este enfoque también podría ayudar en los casos en que la hipoglucemia ocurre durante el sueño, o para niños diabéticos que no pueden administrar inyecciones por su cuenta.
“Este es un pequeño dispositivo de eventos de emergencia que se puede colocar debajo de la piel, donde está listo para actuar si el azúcar en la sangre del paciente cae demasiado bajo”, dice Daniel Anderson, profesor del Departamento de Ingeniería Química del MIT, miembro del Instituto KOCH de MIT para la Investigación e Instituto de Ingeniería Médica y Ciencia (IMES) del MIT, y el autor principal del estudio. “Nuestro objetivo era construir un dispositivo que siempre esté listo para proteger a los pacientes del bajo nivel de azúcar en la sangre. Creemos que esto también puede ayudar a aliviar el miedo a la hipoglucemia que sufren muchos pacientes y sus padres”.
Los investigadores mostraron que este dispositivo también podría usarse para administrar dosis de emergencia de epinefrina, un medicamento que se usa para tratar ataques cardíacos y también puede prevenir reacciones alérgicas graves, incluido el shock anafiláctico.
Siddharth Krishnan, ex científico de investigación del MIT que ahora es profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Ingeniería biomédica de la naturaleza.
Respuesta de emergencia
La mayoría de los pacientes con diabetes tipo 1 usan inyecciones diarias de insulina para ayudar a su cuerpo a absorber el azúcar y evitar que sus niveles de azúcar en la sangre se vuelvan demasiado altos. Sin embargo, si sus niveles de azúcar en la sangre se reducen, desarrollan hipoglucemia, lo que puede provocar confusión e convulsiones, y puede ser fatal si no se trata.
Para combatir la hipoglucemia, algunos pacientes llevan jeringas precargadas de glucagón, una hormona que estimula el hígado para liberar glucosa en el torrente sanguíneo. Sin embargo, no siempre es fácil para las personas, especialmente los niños, saber cuándo se están volviendo hipoglucémicos.
“Algunos pacientes pueden sentir cuando se están bajando el nivel de azúcar en la sangre y van a comer algo o se dan glucagón”, dice Anderson. “Pero algunos no saben que son hipoglucémicos, y pueden simplemente caer en confusión y coma. Esto también es un problema cuando los pacientes duermen, ya que dependen de las alarmas del sensor de glucosa para despertarlos cuando el azúcar cae peligrosamente bajo”.
Para que sea más fácil contrarrestar la hipoglucemia, el equipo del MIT se propuso diseñar un dispositivo de emergencia que la persona lo use o automáticamente por un sensor.
El dispositivo, que es aproximadamente del tamaño de un cuarto, contiene un pequeño depósito de drogas hecho de un polímero impreso en 3D. El depósito está sellado con un material especial conocido como aleación de memoria de forma, que se puede programar para cambiar su forma cuando se calienta. En este caso, el investigador utilizó una aleación de níquel-titanio que está programada para rizarse de una losa plana a una forma de U cuando se calienta a 40 grados Celsius.
Al igual que muchos otros fármacos de proteínas o péptidos, el glucagón tiende a descomponerse rápidamente, por lo que la forma líquida no se puede almacenar a largo plazo en el cuerpo. En cambio, el equipo del MIT creó una versión en polvo de la droga, que permanece estable durante mucho más tiempo y permanece en el embalse hasta que se libere.
Cada dispositivo puede transportar una o cuatro dosis de glucagón, y también incluye una antena sintonizada para responder a una frecuencia específica en el rango de radiofrecuencia. Eso permite que se active de forma remota para encender una pequeña corriente eléctrica, que se usa para calentar la aleación de memoria de forma. Cuando la temperatura alcanza el umbral de 40 grados, la losa se dobla en forma de U, liberando el contenido del depósito.
Debido a que el dispositivo puede recibir señales inalámbricas, también podría diseñarse para que la liberación de drogas sea desencadenada por un monitor de glucosa cuando el azúcar en la sangre del usuario cae por debajo de cierto nivel.
“Una de las características clave de este tipo de sistema de administración de medicamentos digitales es que puede que hable con los sensores”, dice Krishnan. “En este caso, la tecnología continua de monitoreo de glucosa que usan muchos pacientes es algo que sería fácil de interactuar para este tipo de dispositivos”.
Revertir la hipoglucemia
Después de implantar el dispositivo en ratones diabéticos, los investigadores lo usaron para desencadenar la liberación de glucagón a medida que los niveles de azúcar en la sangre de los animales cayeron. Dentro de menos de 10 minutos de activar la liberación del fármaco, los niveles de azúcar en la sangre comenzaron a nivelarse, lo que les permitió permanecer dentro del rango normal y evitar la hipoglucemia.
Los investigadores también probaron el dispositivo con una versión en polvo de epinefrina. Descubrieron que dentro de los 10 minutos posteriores a la liberación de drogas, los niveles de epinefrina en el torrente sanguíneo se elevaron y la frecuencia cardíaca aumentó.
En este estudio, los investigadores mantuvieron los dispositivos implantados hasta cuatro semanas, pero ahora planean ver si pueden extender ese tiempo hasta al menos un año.
“La idea es que tendrías suficientes dosis que pueden proporcionar este evento de rescate terapéutico durante un período significativo de tiempo. No sabemos exactamente qué es eso, tal vez un año, tal vez unos años, y actualmente estamos trabajando para establecer cuál es la vida óptima. Pero luego, necesitaría ser reemplazado”, dice Krishnan.
Por lo general, cuando un dispositivo médico se implanta en el cuerpo, el tejido cicatricial se desarrolla alrededor del dispositivo, lo que puede interferir con su función. Sin embargo, en este estudio, los investigadores mostraron que incluso después de que el tejido fibrótico se formó alrededor del implante, pudieron desencadenar con éxito la liberación del fármaco.
Los investigadores ahora están planeando estudios de animales adicionales y esperan comenzar a probar el dispositivo en ensayos clínicos en los próximos tres años.
“Es realmente emocionante ver a nuestro equipo lograr esto, lo que espero que algún día ayude a pacientes diabéticos y podría proporcionar más ampliamente un nuevo paradigma para entregar cualquier medicamento de emergencia”, dice Robert Langer, profesor del Instituto David H. Koch en el MIT y autor del artículo.
Otros autores O’Keffhe, Arna Roadra, con Guustop, Limited, Claai Liu, Anhanai Wang, Antone Bookkek, Jeon-Chun Bose, es ala.
La investigación fue financiada por Leona M. y Harry B. Helmsley Charitable Trust, los Institutos Nacionales de Salud, una beca postdoctoral JDRF y el Instituto Nacional de Imágenes y Bioingeniería Biomédica.
