El tratamiento de la diabetes, sobre todo la del tipo 1,
requiere un control continuo de glucosa en sangre y una administración precisa
de la insulina. La química de los materiales ha avanzado mucho en los últimos
años, se ha podido desarrollar sistemas más avanzados y autónomos, capaces de
responder por sí mismos al estados metabólico del paciente.
Entre ellos nos vamos a centrar en los hidrogeles peptídicos sensibles a la glucosa, para poder explicar este nuevo sistema debemos contextualizar y responder a preguntas que nos van a surgir en la lectura de este artículo.
Cómo lector te preguntaras:
¿ Qué es un Hidrogel ?, ¿ Qué significa que sea inteligente ? y ¿ Cómo detecta este material la glucosa?
Un HIDROGEL es un material formado por una red
tridimensional de moléculas (normalmente polímeros) que atrapan grandes
cantidades de agua en su interior. Podemos imaginar esto como si se tratara de
una “gelatina” pero muy hidratada. El que el material este tan hidratado lo
hace semejante a los tejidos del cuerpo humano. Nos referimos al material como
INTELIGENTE, porque responde automáticamente a cambios del entorno. Por ejemplo
un hidrogel puede cambiar su estructura si varía:
- El pH
- La temperatura
- La presencia de la luz
- Una señal biológica
- La concentración de la glucosa (la que nos interesa en este artículo)
La respuesta de estos hidrogeles a estos estímulos suele ser
:
- Hinchamiento o deshinchamiento
- Cambio en la rigidez
- Liberación controlada de un fármaco
Los hidrogeles son sensibles a cambios de pH provocados por
la presencia de la glucosa, y esto hace que libere la insulina cuando es
necesario. El hidrogel no es que DETECTE por si mismo la glucosa si no que
gracias a una enzima que se incorpora en el interior (denominada glucosa
oxidasa), esta reconoce específicamente la glucosa, la transforma en ácido
glucónico y este ácido baja el pH alrededor del hidrogel.
Respondidas (espero) estas preguntas procedemos a
adentrarnos en el tema Hidrogeles péptidos sensibles a la glucosa
PROBLEMA
La diabetes implica (a lo sumo) un exceso de glucosa
(azúcar) en sangre, los tratamientos actuales se basan en el control diario de
nivel de glucosa y pincharse varias veces al día insulina. A parte de ser un
tratamiento doloroso, es bastante probable no llevar un control perfecto y
existe el riesgo de inyectarse demasiada insulina, lo que puede causar un nivel
de azúcar peligrosamente bajo o hipoglucemia.
POSIBLE SOLUCIÓN
En artículo se pretende crear un sistema de circuito cerrado o “ Páncreas artificial químico”, este nombre se debe a que imita a lo que hace un páncreas sano: liberar insulina cuando el azúcar en sangre es alto.
Este sistema inyectable se basa en un hidrogel de péptidos (gelatina microscópica hecha de pequeñas proteínas) cargada con insulina y la enzima que detecta la glucosa.
¿Cómo funciona?
Este sistema funciona como reservorio, que espera el momento exacto para liberar insulina.
1. Azúcar Alta (Hiperglucemia): Cuando hay demasiado azúcar en la sangre, este llega al hidrogel.
2. Producción de Ácido: La enzima que está dentro del hidrogel actúa sobre el azúcar y lo convierte en ácido glucónico, esto hace que disminuya el pH en el hidrogel.
3. Cambio Estructural del Hidrogel: Este hidrogel fue diseñado para ser sensible a cambios de acidez, esto induce fuertes repulsiones electrostáticas entre los péptidos. Estas superar la fuerza que mantenía la estructura del hidrogel causan una degradación rápida que libera la insulina encapsulada.
4. Homeostasis y cierre del ciclo: La insulina liberada reduce el nivel de glucosa en sangre, y a medida que esta disminuye la reacción produciendo ácido glucónico cesa, por lo que el pH vuelve a la normalidad fisiológica. Esto detiene la degradación del polímero.
Para asegurar que el material es adecuado para liberar
insulina en el cuerpo es necesario realizarle diferentes estudios en el
laboratorio, es decir, una CARACTERIZACIÓN DEL HIDROGEL.
Las pruebas que se realizan son:
- Estructura
(FTIR/CD):
Se confirma si el material utilizado es correcto para su aplicación.
- Reología:
Se comprueba si el material es lo suficientemente firme como para
mantenerse en su lugar.
- Morfología:
Se observa que los "agujeritos" del hidrogel tengan el tamaño
adecuado para encapsular y liberal la insulina.
- Sensibilidad
al pH: Se observa si el hidrogel reacciona a las señales del cuerpo.
- Liberación in vitro: Se observa si se libera la cantidad de insulina correcta.
Después de comprobar que el hidrogel pasaba todas las
pruebas necesarias hay que ver si realmente cumplen la función de ayudar a
controlar la diabetes en los seres vivos.
Para comprobarlo se usaron ratas a las que previamente se les había inducido una sustancia química (estreptozocina) para provocarles diabetes de tipo 1 de manera controlada.
Los resultados obtenidos fueron con una sola inyección se
consiguió regular el nivel de azúcar en sangre (glucemia) durante 8 días.
Además, el comportamiento del hidrogel no causó reacciones inflamatorias y se quedó
en su sitio sin volverse tóxico ni descomponerse, es decir, el cuerpo de la
rata acepto el material sin sufrir efectos secundarios. Con estas observaciones
se puede decir que el hidrogel era seguro.
Este estudio realiado por Mian Fu es un gran avance ya que, gracias a combinar el
diseño molecular con materiales seguros, las personas diabéticas pueden
controlar el nivel de azúcar de manera más sencilla y menos tediosa.
Este estudio demuestra que, gracias a la química, es posible diseñar materiales inteligentes que imiten funciones biológicas complejas. Los hidrogeles basados en péptidos son un gran avance científico y mejora la calidad de vida de las personas que sufren diabetes.
Bibliografía
Fu, M., Zhang, C., Dai, Y., et al. (2018). "Injectable self-assembled peptide hydrogels for glucose-mediated insulin delivery". Biomaterials Science, 6(5), 1144-1153.
Veiseh, O., Tang, B. C., Whitehead, K. A., Anderson, D. G., & Langer, R. (2015). "Managing diabetes with nanomedicine: challenges and opportunities". Nature Reviews Drug Discovery, 14(1), 45-57.
Mo, R., Jiang, T., Di, J., Tai, W., & Gu, Z. (2013). "Emerging micro- and nanotechnology based glucose-responsive physiology-regulated insulin delivery system". Chemical Society Reviews, 42(7), 3398-3432.
Blog CIT UPC. (2022). "Hidrogeles nanocompuestos multifuncionales para el cuidado avanzado de la piel". Disponible en: blog.cit.upc.edu
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