Jedan obećavajući pristup lečenju dijabetesa tipa 1 je implantacija ćelija ostrvaca pankreasa koje mogu proizvesti insulin kada je to potrebno, što može osloboditi pacijente od čestih injekcija insulina. Međutim, jedna od glavnih prepreka ovom pristupu je da kada se ćelije jednom implantiraju, one na kraju ostanu bez kiseonika i prestanu da proizvode insulin.
Da bi prevazišli tu prepreku, inženjeri MIT-a su dizajnirali novi implantabilni uređaj koji ne samo da nosi stotine hiljada ćelija ostrvaca koje proizvode insulin, već ima i sopstvenu fabriku kiseonika na brodu, koja generiše kiseonik cepanjem vodene pare koja se nalazi u telu.
Istraživači su pokazali da kada se implantira u miševe sa dijabetesom, ovaj uređaj može zadržati nivo glukoze u krvi miševa stabilnim najmanje mesec dana. Istraživači se sada nadaju da će stvoriti veću verziju uređaja, veličine štapića žvakaće gume, koja bi na kraju mogla biti testirana na ljudima sa dijabetesom tipa 1.
„O ovome možete razmišljati kao o živom medicinskom uređaju koji je napravljen od ljudskih ćelija koje luče insulin, zajedno sa elektronskim sistemom za održavanje života. Uzbuđeni smo dosadašnjim napretkom i zaista smo optimisti da bi ova tehnologija mogla da se završi pomoći pacijentima“, kaže Daniel Anderson, profesor na MIT-ovom odeljenju za hemijsko inženjerstvo, član MIT-ovog Koh instituta za integrativno istraživanje raka i Instituta za medicinsko inženjerstvo i nauku (IMES), i stariji autor studije.
Dok je glavni fokus istraživača na lečenju dijabetesa, oni kažu da bi ova vrsta uređaja takođe mogla biti prilagođena za lečenje drugih bolesti koje zahtevaju ponovljeno isporuku terapijskih proteina.
Istraživač MIT-a Siddharth Krishnan je vodeći autor rada, koji se pojavljuje u Proceedings of the National Academi of Sciences. Istraživački tim takođe uključuje nekoliko drugih istraživača sa MIT-a, uključujući Roberta Langera, profesora David H. Koch instituta na MIT-u i člana Koh instituta, kao i istraživače iz Bostonske dečje bolnice.
Većina pacijenata sa dijabetesom tipa 1 mora pažljivo da prati nivo glukoze u krvi i da sebi ubrizgava insulin najmanje jednom dnevno. Međutim, ovaj proces ne replicira prirodnu sposobnost tela da kontroliše nivo glukoze u krvi.
„Ogromna većina dijabetičara koji su zavisni od insulina ubrizgavaju sebi insulin i daju sve od sebe, ali nemaju zdrav nivo šećera u krvi“, kaže Anderson. „Ako pogledate njihov nivo šećera u krvi, čak i za ljude koji su veoma posvećeni oprezu, oni jednostavno ne mogu da pare onome što živi pankreas može da uradi.“
Bolja alternativa bi bila transplantacija ćelija koje proizvode insulin kad god otkriju porast nivoa glukoze u krvi pacijenta. Neki pacijenti sa dijabetesom su primili transplantirane ćelije ostrvaca od ljudskih leševa, čime se može postići dugoročna kontrola dijabetesa; međutim, ovi pacijenti moraju da uzimaju imunosupresivne lekove kako bi sprečili njihovo telo da odbaci implantirane ćelije.
Nedavno su istraživači pokazali sličan uspeh sa ćelijama ostrvaca dobijenim od matičnih ćelija, ali pacijenti koji primaju te ćelije takođe moraju da uzimaju imunosupresivne lekove.
Druga mogućnost, koja bi mogla da spreči potrebu za imunosupresivnim lekovima, jeste da se transplantirane ćelije inkapsuliraju unutar fleksibilnog uređaja koji štiti ćelije od imunog sistema. Međutim, pronalaženje pouzdanog snabdevanja kiseonikom za ove inkapsulirane ćelije pokazalo se izazovnim.
Neki eksperimentalni uređaji, uključujući onaj koji je testiran u kliničkim ispitivanjima, imaju komoru za kiseonik koja može da snabdeva ćelije, ali ovu komoru treba periodično puniti. Drugi istraživači su razvili implantate koji uključuju hemijske reagense koji mogu da generišu kiseonik, ali oni takođe na kraju ponestaju.
Tim MIT-a je preuzeo drugačiji pristup koji bi potencijalno mogao da generiše kiseonik neograničeno, cepanjem vode. Ovo se radi pomoću membrane za izmjenu protona – tehnologije koja je prvobitno korišćena za generisanje vodonika u gorivim ćelijama – koja se nalazi unutar uređaja. Ova membrana može da podeli vodenu paru (koja se nalazi u izobilju u telu) na vodonik, koji se bezopasno difunduje, i kiseonik, koji ide u komoru za skladištenje koja hrani ćelije ostrva kroz tanku membranu propustljivu za kiseonik.
Značajna prednost ovog pristupa je što ne zahteva nikakve žice ili baterije. Za cepanje ove vodene pare potreban je mali napon (oko 2 volta), koji se generiše korišćenjem fenomena poznatog kao rezonantna induktivna sprega. Podešen magnetni kalem koji se nalazi izvan tela prenosi snagu na malu, fleksibilnu antenu unutar uređaja, omogućavajući bežični prenos energije. Za to je potreban spoljni kalem, za koji istraživači očekuju da bi se mogao nositi kao flaster na koži pacijenta.
Nakon što su napravili svoj uređaj, koji je veličine četvrtine SAD-a, istraživači su ga testirali na miševima sa dijabetesom. Jedna grupa miševa je dobila uređaj sa membranom koja stvara kiseonik i razdvaja vodu, dok je druga dobila uređaj koji je sadržao ćelije ostrvaca bez ikakvog dodatnog kiseonika. Uređaji su implantirani tik pod kožu, kod miševa sa potpuno funkcionalnim imunološkim sistemom.
Istraživači su otkrili da su miševi implantirani uređajem za proizvodnju kiseonika bili u stanju da održe normalan nivo glukoze u krvi, uporediv sa zdravim životinjama. Međutim, miševi koji su primili uređaj bez kiseonika postali su hiperglikemični (sa povišenim šećerom u krvi) u roku od oko dve nedelje.
Obično kada se bilo koja vrsta medicinskog uređaja implantira u telo, napad imunog sistema dovodi do nakupljanja ožiljnog tkiva zvanog fibroza, što može smanjiti efikasnost uređaja. Ova vrsta ožiljnog tkiva je nastala oko implantata korišćenih u ovoj studiji, ali uspeh uređaja u kontroli nivoa glukoze u krvi sugeriše da je insulin i dalje bio u stanju da difunduje iz uređaja i glukoza u njega.
Ovaj pristup se takođe može koristiti za isporuku ćelija koje proizvode druge vrste terapijskih proteina koje treba davati tokom dužeg vremenskog perioda. U ovoj studiji, istraživači su pokazali da uređaj takođe može da održava u životu ćelije koje proizvode eritropoetin, protein koji stimuliše proizvodnju crvenih krvnih zrnaca.
„Optimisti smo da će biti moguće napraviti žive medicinske uređaje koji mogu boraviti u telu i proizvoditi lekove po potrebi“, kaže Anderson. „Postoje razne bolesti kod kojih pacijenti moraju da unose proteine egzogeno, ponekad veoma često. Ako možemo da zamenimo potrebu za infuzijama svake druge nedelje jednim implantom koji može dugo da deluje, mislim da bi to zaista moglo mnogo da pomogne pacijenata“.
Istraživači sada planiraju da prilagode uređaj za testiranje na većim životinjama i na kraju ljudima. Za ljudsku upotrebu, nadaju se da će razviti implantat koji bi bio veličine štapića žvake. Takođe planiraju da testiraju da li uređaj može da ostane u telu duže vreme.
„Materijali koje smo koristili su sami po sebi stabilni i dugovečni, tako da mislim da je takva vrsta dugotrajnog rada u domenu mogućnosti, i to je ono na čemu radimo“, kaže Krišnan.
„Veoma smo uzbuđeni zbog ovih nalaza, za koje verujemo da bi mogli da pruže potpuno novi način lečenja dijabetesa i možda drugih bolesti“, dodaje Langer.
