TECNOLOGÍA. Control de la terapia para la diabetes mediante un implante piezoeléctrico

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Las terapias basadas en células diseñadas son esenciales para tratar enfermedades potencialmente mortales. iStock

Contiene células humanas diseñadas artificialmente.

Normalmente, las personas con diabetes tipo 1 y (algunas) con diabetes tipo 2 requieren insulina como tratamiento. Esto se puede tomar a través de una inyección o usando una bomba de insulina. Pero un nuevo concepto podría  desbloquear un nivel completamente nuevo de conveniencia para que los pacientes controlen sus terapias, en este caso, las basadas en células.

Científicos del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas, ETH Zurich, Suiza, han ideado un dispositivo de botón autosuficiente que contiene células humanas modificadas que se pueden implantar directamente debajo de la piel, según un nuevo estudio publicado en la revista  Science Advances . En otras palabras, después de todo, la clave para una vida sana con diabetes podría estar a flor de piel.

Autotratamiento de la diabetes con solo presionar un botón

Como prueba de concepto, los investigadores demostraron que la activación del implante con la presión de los dedos podría restaurar los niveles normales de azúcar en un modelo de ratón con diabetes tipo 1.

Los autores del estudio creen que es un salto cuántico para fusionar la electrónica con la genética y el impulso inicial para aplicaciones terapéuticas en el mundo realEl pulsador tiene el poder de programar las actividades genéticas de las células mediante electricidad a un nivel completamente nuevo.

La terapia basada en células diseñadas es una respuesta potencial a las enfermedades que amenazan la vida. Pero enfermedades como el cáncer y la diabetes tipo I requieren una administración estricta de "proteínas terapéuticas dosificadas con precisión".

Los enfoques de terapia celular que se basan en cambios de genes sintéticos serían muy beneficiosos para permitir el control requerido. Mientras tanto, es un hecho conocido que los componentes piezoeléctricos son fundamentales para muchos productos que salvan vidas.

El efecto piezoeléctrico es la capacidad de ciertos materiales para producir una carga eléctrica en respuesta a la tensión mecánica aplicada. En su artículo, los investigadores mencionan que esta característica de los materiales piezoeléctricos ha atraído una atención "considerable" para aplicaciones biomédicas como el control de la salud y la ingeniería de tejidos.

Un nuevo dispositivo de encapsulación celular

La combinación de materiales piezoeléctricos con electrogenética podría permitir sistemas basados ​​en voltaje autoalimentados y autocontrolados para programar células de diseño electroinductivas.

Pero la baja amplitud y frecuencia de las fuerzas mecánicas generadas por el órgano "restringen el voltaje generado por los materiales piezoeléctricos a un nivel por debajo del voltaje requerido para activar estas células mediante estimulación de acoplamiento directo", se lee en el nuevo estudio.

Por lo tanto, los investigadores se propusieron desarrollar y probar un dispositivo de encapsulación celular que utilizaría este bajo voltaje generado empujando suavemente un módulo piezoeléctrico basado en una película de PVDF (fluoruro de polivinilideno) para "activar células de diseño humano electrosensibles encerradas" para producir un resultado terapéutico.

El pulsador no requiere electrónica

Para esto, diseñaron un dispositivo "simple" del tamaño de un botón que contiene células humanas diseñadas directamente debajo de la piel.

Cuando se presiona la piel sobre el botón implantado "con [una] fuerza como escribir en un teclado, el módulo piezoeléctrico del botón produce electricidad que estimula a la célula a liberar una cierta cantidad de insulina con dosis que se correlacionan con cuántas veces se presiona el botón".

Previamente, un equipo diseñó células humanas que responden a campos eléctricos liberando insulina pero requería de una fuente de alimentación externa para "estimular eléctricamente" las células terapéuticas implantadas. Por el contrario, el pulsador diseñado en el nuevo enfoque, no requiere ninguna electrónica. La energía requerida para la electroestimulación de las células se produce simplemente presionando el botón.

Las películas piezoeléctricas reducen el número de desafíos

Empujar la película piezoeléctrica de los dispositivos con un dedo produce una corriente alterna "muy pequeña" que estimula a las células humanas a secretar insulina. 

Para volverse electrosensibles, las células han sido diseñadas con dos canales iónicos específicos que desencadenan la despolarización de la membrana celular cuando detectan campos eléctricos. Cuando se despolarizan, estas células liberan insulina de la misma manera que lo hacen las células beta nativas.

La tecnología es muy madura, dicen los autores del estudio. Como resultado, el equipo no prevé ningún obstáculo asociado con los elementos piezoeléctricos. Dado  que las películas piezoeléctricas están bien establecidas , este proceso reduce la cantidad de desafíos, que  "permanecen más en la parte celular donde la longevidad de las células implantadas debe probarse durante un período de tiempo más largo". 

El equipo colaborará con la industria o buscará una nueva empresa para desarrollar la tecnología para las clínicas. Se espera que las terapias basadas en células requieran aproximadamente 10 años para ingresar al mercado. Pero, una vez que se conviertan en una alternativa generalizada a otros tratamientos, estos dispositivos, que permiten un control sin rastro, se pueden activar fácilmente sin fuentes de energía y brindan un "diseño extremadamente compacto".

Resumen del estudio

Las señales físicas sin rastro son deseables para el control remoto de la producción in situ y la dosificación en tiempo real de productos biofarmacéuticos en terapias basadas en células. Sin embargo, los dispositivos optogenéticos, magnetogenéticos o electrogenéticos actuales requieren una electrónica sofisticada, un software complejo asistido por inteligencia artificial y suministros de energía externos para la alimentación y el control. Aquí, describimos un implante celular subcutáneo autosuficiente controlado por un botón accionado simplemente por la presión repetida y suave de los dedos ejercida sobre la piel suprayacente. Presionar el botón provoca una deformación percutánea transitoria de la membrana piezoeléctrica incrustada en el implante, que produce suficiente energía de bajo voltaje dentro de una cámara celular semipermeable recubierta de platino para mediar en la liberación rápida de un biofármaco a partir de células humanas electrosensibles diseñadas. La liberación se ajusta variando la frecuencia y la duración de la estimulación de presión con los dedos. Como prueba de concepto, mostramos que la activación del implante subcutáneo con la presión de los dedos puede restaurar la normoglucemia en un modelo de ratón con diabetes tipo 1. Los dispositivos de botón pulsador autosuficientes pueden proporcionar un nuevo nivel de conveniencia para que los pacientes controlen sus terapias basadas en células.

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