Los dispositivos implantables que liberan insulina en el cuerpo prometen ser una forma alternativa de tratar la diabetes sin inyecciones de insulina o inserciones de cánulas. Sin embargo, un obstáculo que ha impedido su uso hasta ahora es que el sistema inmunológico los ataca después de la implantación, formando una gruesa capa de tejido cicatricial que bloquea la liberación de insulina.
Este fenómeno, conocido como respuesta a cuerpo extraño, también puede interferir con muchos otros tipos de dispositivos médicos implantables. Sin embargo, un equipo de ingenieros y colaboradores del MIT ahora ha ideado una forma de superar esta respuesta. En un estudio con ratones, demostraron que cuando incorporaron la actuación mecánica en un dispositivo robótico blando, el dispositivo permaneció funcional durante mucho más tiempo que un implante típico de administración de fármacos.
El dispositivo se infla y desinfla repetidamente durante cinco minutos cada 12 horas, y esta desviación mecánica evita que las células inmunitarias se acumulen alrededor del dispositivo, encontraron los investigadores.
«Estamos usando este tipo de movimiento para extender la vida útil y la eficacia de estos reservorios implantados que pueden administrar medicamentos como la insulina, y creemos que esta plataforma puede extenderse más allá de esta aplicación», dice Ellen Roche, asociada de desarrollo profesional de Latham Family. Profesor de Ingeniería Mecánica y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT.
Entre otras posibles aplicaciones, los investigadores ahora planean ver si pueden usar el dispositivo para administrar células de los islotes pancreáticos que podrían actuar como un «páncreas bioartificial» para ayudar a tratar la diabetes.
Roche es la coautora principal del estudio, con Eimear Dolan, ex postdoctorado en su laboratorio que ahora es miembro de la facultad en la Universidad Nacional de Irlanda en Galway. Garry Duffy, también profesor en NUI Galway, es un colaborador clave en el trabajo, que aparece en Comunicaciones de la naturaleza. Los postdoctorados del MIT William Whyte y Debkalpa Goswami, y la investigadora visitante Sophie Wang, son los autores principales del artículo.
Modulación de las células inmunitarias
La mayoría de los pacientes con diabetes tipo 1, y algunos con diabetes tipo 2, tienen que inyectarse insulina diariamente. Algunos pacientes usan bombas de insulina portátiles que se adhieren a la piel y administran insulina a través de un tubo que se inserta debajo de la piel, o parches que pueden administrar insulina sin un tubo.
Durante muchos años, los científicos han estado trabajando en dispositivos de administración de insulina que podrían implantarse debajo de la piel. Sin embargo, las cápsulas fibrosas que se forman alrededor de dichos dispositivos pueden provocar fallas en el dispositivo en semanas o meses.
Los investigadores han probado muchos enfoques para prevenir la formación de este tipo de tejido cicatricial, incluida la administración local de inmunosupresores. El equipo del MIT adoptó un enfoque diferente que no requiere ningún medicamento; en cambio, su implante incluye un dispositivo robótico suave accionado mecánicamente que se puede inflar y desinflar. En un estudio de 2019, Roche y sus colegas (con Dolan como primer autor) demostraron que este tipo de oscilación puede modular la forma en que las células inmunitarias cercanas responden a un dispositivo implantado.
En el nuevo estudio, los investigadores querían ver si ese efecto inmunomodulador podría ayudar a mejorar la administración del fármaco. Construyeron un dispositivo de dos cámaras hecho de poliuretano, un plástico que tiene una elasticidad similar a la matriz extracelular que rodea los tejidos. Una de las cámaras actúa como un reservorio de medicamento y la otra actúa como un actuador inflable blando. Usando un controlador externo, los investigadores pueden estimular el actuador para que se infle y desinfle en un horario específico. Para este estudio, realizaron la actuación cada 12 horas, durante cinco minutos a la vez.
Esta actuación mecánica aleja a las células inmunitarias llamadas neutrófilos, las células que inician el proceso que conduce a la formación de tejido cicatricial. Cuando los investigadores implantaron estos dispositivos en ratones, descubrieron que el tejido cicatricial tardaba mucho más en desarrollarse alrededor de los dispositivos. Eventualmente se formó tejido cicatricial, pero su estructura era inusual: en lugar de las fibras de colágeno enredadas que se acumulaban alrededor de los dispositivos estáticos, las fibras de colágeno que rodeaban los dispositivos activados estaban más alineadas, lo que los investigadores creen que puede ayudar a las moléculas del fármaco a pasar a través del tejido.
«A corto plazo, vemos que hay menos neutrófilos alrededor del dispositivo en el tejido y luego, a largo plazo, vemos que hay diferencias en la arquitectura del colágeno, lo que puede estar relacionado con la razón por la que tenemos una mejor administración de fármacos a lo largo de los ocho años. período de tiempo de una semana», dice Wang.
Entrega sostenida de medicamentos
Para demostrar la utilidad potencial de este dispositivo, los investigadores demostraron que podría usarse para administrar insulina en ratones. El dispositivo está diseñado para que la insulina pueda filtrarse lentamente a través de los poros en el depósito del fármaco o liberarse en una gran ráfaga controlada por el actuador.
Los investigadores evaluaron la eficacia de la liberación de insulina midiendo los cambios posteriores en los niveles de glucosa en sangre de los ratones. Descubrieron que en ratones con el dispositivo accionado, la administración efectiva de insulina se mantuvo durante las ocho semanas del estudio. Sin embargo, en los ratones que no recibieron activación, la eficiencia de administración comenzó a disminuir después de solo dos semanas, y después de ocho semanas, casi ninguna insulina pudo pasar a través de la cápsula fibrosa.
Los autores también crearon una versión del dispositivo de tamaño humano, 120 milímetros por 80 milímetros, y demostraron que podía implantarse con éxito en el abdomen de un cadáver humano.
«Esta fue una prueba de concepto para mostrar que existe una técnica quirúrgica mínimamente invasiva que podría emplearse potencialmente para un dispositivo a escala humana a mayor escala», dice Goswami.
Trabajando con Jeffrey Millman de la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis, los investigadores ahora planean adaptar el dispositivo para que pueda usarse para administrar células pancreáticas derivadas de células madre que detectarían los niveles de glucosa y secretarían insulina cuando la glucosa es demasiado alto. Tal implante podría eliminar la necesidad de que los pacientes midan constantemente sus niveles de glucosa e inyecten insulina.
«La idea sería que las células residieran en el reservorio y actuaran como una fábrica de insulina», dice Roche. «Detectarían los niveles de glucosa en sangre y luego liberarían insulina según fuera necesario».
Otras posibles aplicaciones que los investigadores han explorado para este tipo de dispositivo incluyen la administración de inmunoterapia para tratar el cáncer de ovario y la administración de medicamentos al corazón para prevenir la insuficiencia cardíaca en pacientes que han sufrido ataques cardíacos.
«Se puede imaginar que podemos aplicar esta tecnología a cualquier cosa que se vea obstaculizada por una respuesta de cuerpo extraño o una cápsula fibrosa, y tener un efecto a largo plazo», dice Roche. «Creo que cualquier tipo de dispositivo de administración de fármacos implantable podría beneficiarse».
La investigación fue financiada, en parte, por Science Foundation Ireland, Juvenile Diabetes Research Foundation y los Institutos Nacionales de Salud.
