Le isole pancreatiche, definite anche isole di Langerhans, costituiscono una minima parte della struttura del pancreas, sono formate da aggregati di cellule che presiedono al metabolismo del glucosio, in quanto contengono le beta cellule che producono insulina.
Il metodo promettente per il trattamento del diabete di tipo 1 è l’impianto di isole pancreatiche in grado di produrre insulina quando necessario, evitando così ai pazienti di sottoporsi a frequenti iniezioni di insulina. Tuttavia, uno dei principali ostacoli a questo sistema è che, una volta impiantate, le cellule finiscono l’ossigeno e smettono di produrre insulina.
Ricercatori del MIT per superare questo ostacolo, hanno progettato un nuovo dispositivo impiantabile che non solo trasporta centinaia di migliaia di isole pancreatiche produttrici di insulina, ma ha anche nella sua struttura un produttore di ossigeno che si genera scindendo il vapore acqueo presente nel corpo.
Il team di ricercatori ha dimostrato che questo dispositivo, impiantato in topi diabetici, è in grado di mantenere stabili i livelli di glucosio nel sangue dei topi per almeno un mese, sperano di creare una versione più grande del dispositivo, che potrebbe essere testato su persone affette da diabete di tipo 1.
Daniel Anderson, professore del Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT, membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research e dell’Institute for Medical Engineering and Science (IMES) del MIT, autore dello studio (a breve sarà pubblicato nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences), ha affermato:
«Si può pensare a un dispositivo medico vivente fatto di cellule umane che secernono insulina, insieme a un sistema elettronico di supporto vitale. Siamo entusiasti dei progressi compiuti finora, davvero ottimisti sul fatto che questa tecnologia possa contribuire per aiutare i pazienti».
L’obiettivo principale del team di ricercatori del MIT è il trattamento del diabete, comunque considerano che il loro dispositivo potrebbe essere adattato anche al trattamento di altre malattie che richiedono la ripetuta somministrazione di proteine terapeutiche.
Sostituzione delle iniezioni
Daniel Anderson ha affermato:
«La maggior parte dei pazienti con diabete di tipo 1 deve monitorare attentamente i livelli di glucosio nel sangue e iniettarsi l’insulina almeno una volta il giorno. La stragrande maggioranza dei diabetici insulino-dipendenti si inietta l’insulina e fa del suo meglio, ma non ha livelli glicemici sani».
La migliore alternativa sarebbe quella di trapiantare cellule che producono insulina ogni volta che rilevano un aumento dei livelli di glucosio nel sangue del paziente, alcuni pazienti affetti da diabete hanno ricevuto il trapianto di isole pancreatiche da cadaveri umani, permette di controllare il diabete a lungo termine, tuttavia, questi pazienti devono assumere farmaci immunosoppressori per evitare che il loro organismo rigetti le cellule impiantate.
Il team di ricercatori recentemente ha dimostrato un successo simile con le cellule isolate derivate da cellule staminali, ma i pazienti che ricevono queste cellule devono anche assumere farmaci immunosoppressivi; un’altra possibilità, che potrebbe evitare la necessità di farmaci immunosoppressivi, è quella di incapsulare le cellule trapiantate in un dispositivo flessibile che le protegga dal sistema immunitario.
È stata evidenziata la difficoltà di trovare un apporto affidabile di ossigeno per queste cellule incapsulate, alcuni dispositivi sperimentali, tra cui uno testato in ambito clinico, dispongono di una camera di ossigeno in grado di rifornire le cellule, ma questa camera deve essere ricaricata periodicamente; altri ricercatori hanno sviluppato dispositivi che includono reagenti chimici in grado di generare ossigeno, ma anche questi si esauriscono.
Il team di ricercatori del MIT ha adottato un sistema differente, potenzialmente in grado di generare ossigeno all’infinito, attraverso la scissione dell’acqua. Ciò avviene grazie a una membrana a scambio protonico – una tecnologia originariamente impiegata per generare idrogeno nelle celle a combustibile – situata all’interno del dispositivo, questa membrana è in grado di scindere il vapore acqueo (presente in abbondanza nell’organismo), in idrogeno, che si diffonde in modo innocuo, e ossigeno, che entra in una camera di stoccaggio che alimenta le cellule delle isole pancreatiche attraverso una sottile membrana permeabile all’ossigeno.
Il vantaggio significativo di questo metodo è che non necessita di cavi o batterie. La scissione del vapore acqueo richiede una piccola tensione (circa 2 volt), che viene generata grazie a un fenomeno noto come “accoppiamento induttivo risonante”: praticamente una bobina magnetica sintonizzata situata all’esterno del corpo, trasmette l’energia a una piccola antenna flessibile all’interno del dispositivo, consentendo il trasferimento di energia senza fili. Il sistema richiede una bobina esterna, secondo i ricercatori potrebbe essere indossata come un cerotto sulla pelle del paziente.
Farmaci su richiesta
Il team di ricercatori dopo aver costruito il dispositivo, che ha le dimensioni di un quarto di dollaro (24,26 mm), lo hanno testato su topi diabetici: un gruppo di topi ha ricevuto il dispositivo con la membrana che genera ossigeno e scinde l’acqua, mentre l’altro ha ricevuto un dispositivo che conteneva cellule di isole pancreatiche senza alcun supplemento di ossigeno. I dispositivi sono stati impiantati appena sotto la pelle, in topi con un sistema immunitario perfettamente funzionante.
Il team di ricercatori ha scoperto che i topi impiantati con il dispositivo che genera ossigeno, erano in grado di mantenere livelli normali di glucosio nel sangue, paragonabili a quelli degli animali sani. Tuttavia, i topi che hanno ricevuto il dispositivo non ossigenato sono diventati iperglicemici (con glicemia elevata) entro due settimane.
Generalmente quando qualsiasi tipo di dispositivo medico viene impiantato nell’organismo, l’attacco del sistema immunitario porta a un accumulo di tessuto cicatriziale chiamato fibrosi, che può ridurre l’efficacia dei dispositivi.
Il team di ricercatori ha detto che questo tipo di tessuto cicatriziale si è formato intorno agli impianti utilizzati nel loro studio, ma il successo del dispositivo nel controllare i livelli di glucosio nel sangue, suggerisce che l’insulina era ancora in grado di diffondersi fuori dal dispositivo e il glucosio al suo interno.
Il dispositivo potrebbe essere utilizzato anche per veicolare cellule che producono altri tipi di proteine terapeutiche che devono essere somministrate per lunghi periodi di tempo. Il team di ricercatori ha dimostrato che il dispositivo può anche mantenere in vita le cellule che producono eritropoietina, una proteina che stimola la produzione di globuli rossi.
Daniel Anderson ha affermato:
«Siamo ottimisti sul fatto che sarà possibile realizzare dispositivi medici viventi che possano risiedere nell’organismo e produrre farmaci secondo le necessità. Ci sono diverse malattie in cui i pazienti hanno bisogno di assumere proteine per via esogena, a volte molto frequentemente. Se riuscissimo a sostituire la necessità di infusioni a settimane alterne con un singolo impianto in grado di agire per lungo tempo, credo che potremmo aiutare molti pazienti».
Il team di ricercatori ora intende adattare il dispositivo per testarlo su animali più grandi e infine sull’uomo. Sperano per l’uso umano di sviluppare un piccolo impianto delle dimensioni di una gomma da masticare. Inoltre, intendono verificare se il dispositivo può rimanere nel corpo umano per periodi più lunghi.
Siddharth Krishnan ricercatore del MIT, autore principale dello studio, ha affermato:
«I materiali che abbiamo utilizzato sono intrinsecamente stabili e longevi, quindi penso che questo tipo di funzionamento a lungo termine sia possibile, ed è su questo aspetto che stiamo lavorando».
Robert Samuel Langer Jr. ricercatore del MIT (nel 2013 ha vinto il Premio Wolf per la chimica per l’ideazione e l’attuazione della chimica dei polimeri i quali forniscono entrambi un sistema controllato del rilascio del farmaco e nuovi biomateriali; nel 2022 ha vinto il Premio Balzan per i biomateriali per la nanomedicina e l’ingegneria dei tessuti), in conclusione ha detto:
«Siamo molto entusiasti di questi risultati, potrebbero fornire un metodo completamente nuovo di trattare un giorno il diabete e forse altre malattie».
