Un implant electronic reduce nivelul glicemiei și ajută la scăderea în greutate la șoareci
Diabetul de tip 2 devine din ce în ce mai comun la nivel global. Spre deosebire de diabetul de tip 1, acesta este adesea asociat cu obezitatea, un stil de viață sedentar și un consum excesiv de energie pe parcursul mai multor ani. Deși injecțiile cu insulină pot reduce nivelul glicemiei, ele nu abordează surplusul cronic de energie al organismului. Insulina ajută celulele musculare să preia glucoza din sânge, dar dacă organismul nu folosește acea energie, excesul este transformat în grăsime. Acest lucru ajută la explicarea motivului pentru care mulți pacienți continuă să câștige în greutate în ciuda tratamentului.
O echipă condusă de Martin Fussenegger a dezvoltat o nouă metodă potențială de tratament pentru diabet: un sistem implantabil care utilizează un catalizator alimentat electric pentru a reduce glicemia. Fussenegger este profesor în cadrul Departamentului de Științe ale Biosistemelor și Inginerie de la ETH Zurich, în Basel. Rezultatele echipei au fost publicate în revista Science.
Noua abordare folosește electronica în locul biomoleculelor.
Pentru o perioadă îndelungată, echipa de cercetători din Basel a explorat modalități de a aborda diabetul cu sisteme care reglează nivelul glicemiei. Abordările anterioare s-au bazat pe rețele genetice special dezvoltate. Aceste sisteme depind de componente biologice, ceea ce aduce provocări suplimentare în domenii precum toleranța imunitară, stabilitatea, fabricarea și aprobarea reglementărilor.
Noul sistem depășește această problemă printr-un catalizator realizat complet din materiale anorganice, care nu necesită celule, enzime sau alte componente biologice. Acesta este format dintr-un material de grafit acoperit cu nanoclustere de aur, care sunt decorate cu particule de platină chiar mai mici. Materialele au demonstrat o biocompatibilitate excelentă în studiul experimental, afirmă Fussenegger. Echipa a dezvoltat singură suprafața nanostructurată a catalizatorului.
Implantul conține, de asemenea, o unitate de control electronică, care este încorporată într-o carcasă imprimată 3D. Alimentarea se face wireless la o frecvență de 13,56 MHz, care este desemnată internațional pentru aplicații industriale, științifice și medicale.
Catalizatorul convertește glucoza în exces din sânge în gluconat. Aceasta înseamnă că o parte din glucoză nu mai este metabolizată și stocată în țesuturi, ceea ce ajută, de asemenea, la limitarea acumulării de grăsime corporală. Gluconatul este apoi excretat în urină.
Catalizatorul este controlat wireless printr-un sistem de tip closed-loop. Un senzor standard de glucoză, similar celor purtate de persoanele cu diabet pe partea superioară a brațului, monitorizează continuu nivelurile de glucoză din țesut. Dacă glicemia crește prea mult după o masă, senzorul trimite un semnal prin Bluetooth către un smartphone sau smartwatch. Dispozitivul inteligent activează apoi catalizatorul, care utilizează energie electrică pentru a converti glucoza. Odată ce nivelurile de glucoză au scăzut la nivelul dorit, dispozitivul se oprește automat, protejând pacienții de valori periculos de scăzute ale glicemiei.
Într-un experiment de laborator, echipa lui Fussenegger a testat sistemul într-un rezervor care conținea 5 litri de soluție nutritivă cu glucoză – un volum aproximativ echivalent cu cel al sângelui din corpul uman. Acest lucru a demonstrat că catalizatorul era capabil să convertească glucoza din acest volum de soluție. De asemenea, cercetătorii au testat sistemul pe șoareci diabetici și au constatat că glicemia animalelor putea fi reglată cu precizie. Șoarecii au pierdut în greutate, implantul a fost bine tolerat și a funcționat fiabil pe parcursul unei perioade de șase săptămâni.
Sistemul funcționează la un voltaj foarte scăzut, iar experimentele nu au arătat dovezi de daune tisulare din efecte electrice sau termice.
Fussenegger consideră această abordare ca un schimb de paradigmă de la medicamentele convenționale la tratamente controlate electronic, care pot fi integrate în medii digitale precum Internetul Lucrurilor. „De zeci de ani, am tratat diabetul spunând corpului cum să gestioneze glucoza. Acum arătăm că putem prelua controlul asupra glucozei direct, folosind electronica în locul medicamentelor”, afirmă el. „Și catalizatorul se activează doar atunci când nivelurile de glucoză sunt prea mari.”
Echipa plănuiește acum să dezvolte sistemul într-un dispozitiv medical. Deoarece mecanismul de scădere a glicemiei funcționează fără celule sau enzime, dezvoltarea tehnică ar putea fi mai simplă. Un alt avantaj este că componentele necesare pentru construirea unui astfel de dispozitiv, inclusiv controlul extern și dispozitivele de transmisie wireless, sunt deja dezvoltate și disponibile comercial.
