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Un team di ricerca presso l’ETH Zurich sta sviluppando un approccio alternativo ai farmaci, basato su un dispositivo impiantabile che rimuove direttamente l’eccesso di glucosio dal flusso sanguigno.
Il diabete di tipo 2, e l’obesità che spesso lo accompagna, colpisce più di 2,5 miliardi di persone in tutto il mondo.
Le terapie attuali prevedono una gestione a vita basata su farmaci della glicemia o del peso corporeo che, pur essendo efficace, può essere limitata da effetti collaterali, bassa aderenza del paziente o controllo metabolico incompleto.
Un team di ricerca presso l’ETH Zurich sta sviluppando un approccio alternativo, basato su un dispositivo impiantabile che rimuove direttamente l’eccesso di glucosio dal flusso sanguigno.
I ricercatori descrivono il dispositivo ECHO in Science.
“La maggior parte dei pazienti con diabete di tipo 2 viene trattata con farmaci abbassanti il glucosio, tra cui metformina, inibitori SGLT2 o agonisti del recettore GLP-1, mentre alcuni necessitano anche di iniezioni di insulina”, spiega il responsabile del progetto Martin Fussenegger.
“Il nostro approccio esplora una possibilità fondamentalmente diversa: regolare la glicemia tramite una reazione chimica controllata elettronicamente piuttosto che somministrare un farmaco.”
La nuova tecnica si basa sull’elettrocatalisi, utilizzando un catalizzatore creato da nanocluster d’oro spolverati di particelle di platino e incorporati in un feltro di grafite poroso conduttivo.
I ricercatori hanno assemblato questo catalizzatore – insieme all’elettronica di controllo e a un ricevitore wireless per il trasferimento di potenza – in un involucro in poliammide stampato in 3D, incapsulando l’intero dispositivo in cellulosa-alginato e albumina biocompatibile.
Il dispositivo elettrocatalitico di ottimizzazione della salute a anello chiuso (ECHO) risultante è progettato per essere impiantato sotto la pelle.
Quando alimentato senza fili, il dispositivo ossida il glucosio nel sangue in gluconato, che viene poi eliminato attraverso i reni.
È importante sottolineare che il catalizzatore non deve essere a contatto diretto con il sangue circolante, ma interagire con il glucosio nel liquido interstiziale circostante (che scambia continuamente glucosio con il flusso sanguigno).
“I sistemi convenzionali di somministrazione dell’insulina a circuito chiuso dipendono ancora da una fornitura di insulina, mentre il nostro sistema rimuove il glucosio in eccesso direttamente tramite elettrocatalisi, senza richiedere farmaci immagazzinati, cellule ingegnerizzate o serbatoi terapeutici rifornibili,” afferma Fussenegger.
“Questo potrebbe alla fine offrire un approccio più autonomo alla gestione del glucosio.”
Per testare l’ECHO in vivo, Fussenegger e colleghi hanno impiantato dispositivi in topi diabetici di tipo 2 obesi. Utilizzando varie tensioni e correnti applicate, hanno scoperto che un’attivazione a bassa potenza a 0,75 V e 10 mA poteva riportare la glicemia elevata al range normale entro 1 ora.
L’attivazione ripetuta dell’ECHO per 60 minuti al giorno ha mantenuto il controllo della glicemia nei topi per almeno sei settimane, senza ipoglicemia rilevabile (glucosio nel sangue sotto i livelli normali).
Il dispositivo ECHO può collegarsi a dispositivi indossabili o smartphone per il monitoraggio in tempo reale e il funzionamento in loop chiuso. In tale configurazione, il dispositivo si attiva automaticamente quando le concentrazioni di glucosio superano una soglia predefinita e si spegne una volta che i livelli normali sono stati ristabiliti.
Per dimostrarlo, il team ha costruito un sistema dinamico ad anello chiuso collegando wireless dispositivi impiantati a un monitor continuo commerciale di glucosio.
Il monitor monitorava le concentrazioni di glucosio in tempo reale, inviando i dati a uno smartphone, che attivava l’impianto ECHO se i livelli di glucosio erano troppo alti.
I ricercatori hanno valutato il sistema a concentrazioni glucosio-soglia di 5-15 mM, utilizzando cicli di attivazione ECHO da 5 a 30 minuti.
Hanno scoperto che il dispositivo funzionava a tutte queste soglie e che cicli di attivazione di 5 minuti potevano garantire un controllo stabile della glicemia senza episodi ipoglicemici, durante la durata autorizzata del glucosio monitor (12 giorni).
L’obiettivo a lungo termine del team è sviluppare il sistema in un dispositivo clinico. Fussenegger osserva che una delle principali sfide è aumentare la capacità elettrocatalitica per accogliere il ricambio di glucosio molto più elevato negli esseri umani.
“Per esplorare questo, abbiamo già condotto esperimenti utilizzando un volume di liquido di 5 l, corrispondente approssimativamente al volume sanguigno totale di un adulto umano, fornendo prove incoraggianti sulla scalabilità del nostro approccio,” afferma.
“Più in generale, stiamo esplorando il campo emergente della medicina elettrocatalitica, in cui reazioni chimiche controllate elettronicamente potrebbero eventualmente completare o addirittura sostituire i trattamenti farmacologici convenzionali per alcune malattie metaboliche selezionate”.
Courtesy: Debasis Maity, ETH Zurich
