26 de febrero de 2019

Un método de seguimiento del oxígeno podría ayudar a desarrollar mejores diseños para un páncreas artificial

Un método de seguimiento del oxígeno podría ayudar a desarrollar mejores diseños para un páncreas artificial
PIXABAY - ARCHIVO

MADRID, 26 Feb. (EUROPA PRESS) -

El trasplante de células de los islotes pancreáticos en pacientes con diabetes es una alternativa prometedora a las inyecciones diarias de insulina que muchos de estos pacientes requieren ahora. Estas células podrían actuar como un páncreas artificial, controlar los niveles de glucosa en la sangre y secretar insulina cuando sea necesario.

Para que este tipo de trasplante tenga éxito, los científicos deben asegurarse de que las células implantadas reciban suficiente oxígeno, que necesitan para producir insulina y seguir siendo viables. Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, ahora han ideado una manera de medir los niveles de oxígeno de estas células durante largos periodos de tiempo en animales vivos, lo que debería ayudarles a predecir qué implantes serán más efectivos.

En un artículo se publica este lunes en 'Proceedings of the National Academy of Sciences', los investigadores demostraron que podían usar este método, un tipo especializado de imágenes de resonancia magnética (IRM), para rastrear cómo los niveles de oxígeno de las células implantadas en la cavidad intraperitoneal (IP, por sus siglas en inglés) de los ratones cambia a medida que se mueven a través de la cavidad durante un periodo prolongado de tiempo.

"Nuestro objetivo es hacer que las fábricas celulares vivas puedan suministrar medicamentos a pedido de los pacientes. La capacidad de rastrear el suministro de oxígeno y la ubicación de las células implantadas nos ayudará a entender mejor cómo construir y utilizar terapias exitosas", afirma el autor principal del estudio, Daniel Anderson, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Química del MIT, miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer y del Instituto de Ingeniería Médica y Ciencia (IMES) del MIT.

La directora científica de 'Koch Institute Animal Imaging and Preclinical Core Facility', Virginia Spanoudaki, es la autora principal del estudio. Otros autores son los postdoctorales del MIT Joshua Doloff y Shady Farah, el científico investigador Wei Huang, elexafiliado de investigación Samuel Norcross y el profesor del Instituto David H. Koch Robert Langer.

Durante los últimos años, Anderson, Langer y sus colegas han estado desarrollando células de islotes para implantar encapsuladas en partículas hechas de alginato, una molécula de almidón que se encuentra naturalmente en las algas. Dichas partículas podrían emplearse para reemplazar las células de los islotes pancreáticos de personas con diabetes tipo 1, que no funcionan correctamente.

En un estudio anterior, los científicos descubrieron que las partículas más grandes, con un diámetro de 1,5 milímetros, mantienen su función durante más tiempo que las partículas más pequeñas (0,5 milímetros de diámetro), en parte porque las partículas más pequeñas tienden a rodearse de tejido cicatricial, lo que bloquea su acceso al oxígeno.

Sin embargo, aún quedan preguntas sobre el papel del oxígeno en el destino de estas células implantadas. Las partículas pueden moverse a través del espacio IP una vez implantadas, lo que hace que su seguimiento y su exposición al oxígeno sean importantes. Diferentes partes del espacio de IP contienen niveles variables de oxígeno, y estudios anteriores habían demostrado que las partículas más pequeñas tienden a agruparse en parches de grasa, que poseen menos oxígeno, lo que contribuye a su fracaso.

Los microsensores ópticos que se usan normalmente para medir los niveles de oxígeno en el tejido vivo son muy frágiles e invasivos, por lo que el equipo del MIT decidió probar un enfoque alternativo: IRM con flúor, una técnica desarrollada previamente que otros investigadores han utilizado para rastrear células vivas. Mientras que la resonancia magnética tradicional mide las interacciones entre un campo magnético y los núcleos de hidrógeno, la resonancia magnética con flúor puede medir interacciones similares entre un campo magnético y los núcleos de flúor, así como la forma en que estas interacciones se ven afectadas por la presencia de oxígeno.

HACIA UN PÁNCREAS ARTIFICIAL

Para realizar el estudio, los investigadores incorporaron un material que contiene flúor llamado emulsión de perfluorocarbono en el alginato, que normalmente usan para encapsular sus células de los islotes. Probaron partículas con diámetros de 0,5 y 1,5 milímetros, tanto en ratones diabéticos como no diabéticos. Los roedores no diabéticos recibieron implantes de alginato sin células en su interior, mientras que los ratones diabéticos recibieron implantes con células de los islotes pancreáticos.

Entonces, los investigadores utilizaron la IRM con flúor para medir los niveles de oxígeno en el espacio IP durante un periodo de tres meses. Al mismo tiempo, también midieron los niveles de glucosa en la sangre de los ratones diabéticos. Para ayudarles a analizar los datos resultantes, los científicos emplearon un algoritmo de aprendizaje automático para analizar todas las imágenes y encontrar asociaciones entre las posiciones de las cápsulas dentro del espacio IP, los niveles de oxígeno y los niveles de glucosa en la sangre de los animales.

"Este tipo de estudios de imágenes involucran una gran cantidad de datos, y es extremadamente desafiante y muy propenso a errores seleccionar todas estas imágenes en 2D y tomar decisiones sobre cómo la posición de las cápsulas afecta a la concentración de oxígeno cuando lo realiza un observador humano", dice Spanoudaki. "Así que nos basamos en el aprendizaje automático para ir automáticamente a través de las imágenes y encontrar asociaciones entre las posiciones de las cápsulas y otros parámetros", añade.

Este análisis reveló que las cápsulas más pequeñas producen suficiente insulina para tratar a los ratones diabéticos durante los primeros 30 días de tratamiento, pero luego tienden a organizarse en grandes grupos y se acumulan en las áreas grasas de las extremidades de los animales. Una vez que las partículas se atascan en estas regiones privadas de oxígeno, los niveles de glucosa en la sangre aumentan en los ratones.

Las cápsulas más grandes tendieron a extenderse sobre un área más grande, de modo que algunas terminaron en áreas con poco oxígeno y otras en zonas con mucho oxígeno. En general, las células secretaron suficiente insulina para mantener los niveles de glucosa en la sangre de los roedores diabéticos durante varios meses.

Sigilon Therapeutics, una compañía iniciada por Langer, Anderson y otros científicos para desarrollar aún más el páncreas artificial, espera comenzar a probar las células de islotes para implantar en pacientes a principios del próximo año, dice Anderson. La nueva técnica de medición de oxígeno podría potencialmente adaptarse para su uso en animales más grandes, incluidos los humanos, lo que podría ayudar a guiar el desarrollo de futuras versiones de los islotes encapsulados, según los investigadores.