Para las personas con diabetes tipo 1, la hipoglucemia, o niveles bajos de azúcar en sangre, es una amenaza constante. Cuando los niveles de glucosa bajan demasiado, se crea una situación potencialmente mortal, para la cual el tratamiento estándar consiste en inyectar una hormona llamada glucagón.

Como respaldo de emergencia, para los casos en que los pacientes pueden no darse cuenta de que su nivel de azúcar en sangre está cayendo a niveles peligrosos, los ingenieros del MIT han diseñado un reservorio implantable que puede permanecer debajo de la piel y activarse para liberar glucagón cuando los niveles de azúcar en sangre bajan demasiado.

Este enfoque también podría ayudar en casos en los que se produce hipoglucemia durante el sueño o en niños diabéticos que no pueden administrarse inyecciones por sí solos.

“Se trata de un pequeño dispositivo de emergencia que se coloca bajo la piel, donde está listo para actuar si la glucemia del paciente baja demasiado”, afirma Daniel Anderson, profesor del Departamento de Ingeniería Química del MIT, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer y del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas (IMES) del MIT, y autor principal del estudio. “Nuestro objetivo era desarrollar un dispositivo que estuviera siempre listo para proteger a los pacientes de la hipoglucemia. Creemos que esto también puede ayudar a aliviar el miedo a la hipoglucemia que sufren muchos pacientes y sus padres”.

Los investigadores demostraron que este dispositivo también podría utilizarse para administrar dosis de emergencia de epinefrina, un medicamento que se utiliza para tratar ataques cardíacos y que también puede prevenir reacciones alérgicas graves, incluido el shock anafiláctico.

Siddharth Krishnan, ex científico investigador del MIT que ahora es profesor adjunto de ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford, es el autor principal del estudio, que aparece hoy en Nature Biomedical Engineering.

Respuesta de emergencia

La mayoría de los pacientes con diabetes tipo 1 se inyectan insulina diariamente para ayudar a su cuerpo a absorber el azúcar y evitar que sus niveles de azúcar en sangre suban demasiado. Sin embargo, si sus niveles de azúcar en sangre bajan demasiado, desarrollan hipoglucemia, que puede causar confusión y convulsiones, y puede ser mortal si no se trata.

Para combatir la hipoglucemia, algunos pacientes llevan jeringas precargadas de glucagón, una hormona que estimula el hígado para que libere glucosa al torrente sanguíneo. Sin embargo, no siempre es fácil para las personas, especialmente para los niños, saber cuándo están sufriendo hipoglucemia.

“Algunos pacientes pueden percibir cuándo tienen un nivel bajo de azúcar y van a comer algo o a administrarse glucagón”, dice Anderson. “Pero otros no son conscientes de que tienen hipoglucemia y pueden simplemente entrar 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 nivel de azúcar baja peligrosamente”.

Para facilitar la lucha contra la hipoglucemia, el equipo del MIT se propuso diseñar un dispositivo de emergencia que pudiera activarse por la persona que lo utilizase o automáticamente mediante un sensor.

El dispositivo, del tamaño aproximado de una moneda de 25 centavos, contiene un pequeño depósito de fármaco fabricado con un polímero impreso en 3D. El depósito está sellado con un material especial, conocido como aleación con memoria de forma, que puede programarse para cambiar de forma al calentarse. En este caso, el investigador utilizó una aleación de níquel-titanio programada para curvarse desde una placa plana hasta adoptar la forma de U al calentarse a 40 grados Celsius.

Al igual que muchos otros fármacos proteicos o peptídicos, el glucagón tiende a descomponerse rápidamente, por lo que su forma líquida no puede almacenarse a largo plazo en el organismo. En su lugar, el equipo del MIT creó una versión en polvo del fármaco, que se mantiene estable durante mucho más tiempo y permanece en el depósito hasta su liberación.

Cada dispositivo puede transportar una o cuatro dosis de glucagón e incluye una antena sintonizada para responder a una frecuencia específica en el rango de radiofrecuencia. Esto permite activarlo remotamente para generar una pequeña corriente eléctrica que calienta la aleación con memoria de forma. Cuando la temperatura alcanza los 40 grados, la placa se dobla en forma de U, liberando el contenido del depósito.

Dado que el dispositivo puede recibir señales inalámbricas, también podría diseñarse para que la liberación del medicamento sea activada por un monitor de glucosa cuando el nivel de azúcar en sangre del usuario descienda por debajo de un determinado nivel.

“Una de las características clave de este tipo de sistema digital de administración de fármacos es que permite su comunicación con sensores”, afirma Krishnan. “En este caso, la tecnología de monitorización continua de glucosa que utilizan muchos pacientes es fácil de conectar con este tipo de dispositivos”.

Revertir la hipoglucemia

Tras implantar el dispositivo en ratones diabéticos, los investigadores lo utilizaron para activar la liberación de glucagón a medida que los niveles de azúcar en sangre de los animales descendían. En menos de 10 minutos tras activar la liberación del fármaco, los niveles de azúcar en sangre comenzaron a estabilizarse, lo que les permitió mantenerse dentro del rango normal y evitar la hipoglucemia.

Los investigadores también probaron el dispositivo con epinefrina en polvo. Descubrieron que, a los 10 minutos de la administración del fármaco, los niveles de epinefrina en sangre se elevaban y la frecuencia cardíaca aumentaba.

En este estudio, los investigadores mantuvieron los dispositivos implantados durante hasta cuatro semanas, pero ahora planean ver si pueden extender ese tiempo hasta al menos un año.

La idea es tener dosis suficientes para proporcionar este rescate terapéutico durante un período considerable. No sabemos exactamente cuánto durará, quizá un año, quizá varios años, y actualmente estamos trabajando para determinar cuál es la vida útil óptima. Pero después, sería necesario reemplazarlo, dice Krishnan.

Normalmente, cuando se implanta un dispositivo médico en el cuerpo, se forma tejido cicatricial alrededor del dispositivo, lo cual puede interferir con su función. Sin embargo, en este estudio, los investigadores demostraron que, incluso después de formarse tejido fibrótico alrededor del implante, lograron activar la liberación del fármaco.

Los investigadores ahora están planeando estudios adicionales con animales y esperan comenzar a probar el dispositivo en ensayos clínicos dentro de los próximos tres años.

"Es realmente emocionante ver a nuestro equipo lograr esto, que espero que algún día ayude a los pacientes diabéticos y pueda proporcionar, de manera más amplia, un nuevo paradigma para brindar cualquier medicina de emergencia", dice Robert Langer, profesor del Instituto David H. Koch en el MIT y autor del artículo.

Otros autores del artículo incluyen a Laura O´Keeffe, Arnab Rudra, Derin Gumustop, Nima Khatib, Claudia Liu, Jiawei Yang, Athena Wang, Matthew Bochenek, Yen-Chun Lu, Suman Bose y Kaelan Reed.

La investigación fue financiada por el Leona M. y Harry B. Helmsley Charitable Trust, los Institutos Nacionales de Salud, una beca postdoctoral de la JDRF y el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería.

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