openscience

Η ερευνητική ομάδα του Δρ. Παντελή Γεωργίου, λέκτορα στη Σχολή Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών και υπεύθυνου του Εργαστηρίου Bio-inspired Metabolic Technology στο Πανεπιστήμιο Imperial του Λονδίνου, σχεδίασε και δοκιμάζει ήδη σε ασθενείς ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα που λειτουργεί σαν αντλία ινσουλίνης και γλυκογόνου, ρυθμίζοντας τη γλυκόζη στο αίμα διαβητικών ασθενών – κάτι σαν ψηφιακό πάγκρεας.

Η λειτουργία του ανθρώπινο οργάνου βασίζεται κυρίως σε δύο είδη κυττάρων: τα β-κύτταρα, για την παραγωγή και έκκριση ινσουλίνης όταν τα επίπεδα της γλυκόζης στο αίμα είναι αυξημένα, και τα α-κύτταρα που εκκρίνουν μια ορμόνη που ονομάζεται γλυκαγόνη όταν η γλυκόζη του αίματος είναι σε χαμηλά επίπεδα. Σύμφωνα με τον Δρ. Γεωργίου, το ολοκληρωμένο κύκλωμα που κατασκεύασε η ομάδα του προσομοιώνει και τις δύο αυτές λειτουργίες με μια βιο-μιμητική προσέγγιση, πηγαίνοντας ένα βήμα παραπέρα από τις συνηθισμένες μεθόδους που παρέχουν μόνο ινσουλίνη.

Ο Δρ. Γεωργίου και οι συνεργάτες του θα ξεκινήσουν φέτος μια μικρής κλίμακας κλινική δοκιμή, χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ελέγχεται από το ολοκληρωμένο αυτό κύκλωμα σε δέκα ασθενείς σε νοσοκομεία του Λονδίνου. Σε ασθενείς με διαβήτη τύπου 1, το ανοσοποιητικό σύστημα επιτίθεται και σκοτώνει τα β-κύτταρα, προκαλώντας αύξηση στη γλυκόζη στο αίμα των ασθενών, ενώ με το πέρασμα των χρόνων, τα α-κύτταρα αρχίζουν και αυτά να υπολειτουργούν. Έτσι, οι ασθενείς κινδυνεύουν από περιστατικά υπογλυκαιμίας, τα οποία θα αντιμετωπίζονταν από τα α-κύτταρα σε έναν υγιή οργανισμό. Παρατεταμένες περίοδοι χαμηλών επιπέδων σακχάρων στο αίμα μπορεί να οδηγήσουν σε σημαντικά προβλήματα που επηρεάζουν την καθημερινότητα των ασθενών, αφού οδηγούν σε ανεπαρκή τροφοδοσία του εγκεφάλου με γλυκόζη, ενώ μακροπρόθεσμα μπορεί να φθείρουν και την καρδιά, τα νεφρά και τα μάτια του ασθενούς. Για να ελαχιστοποιήσουν αυτά τα αποτελέσματα, οι ερευνητές του Imperial College προσπαθούν να αναπαράγουν την ηλεκτροφυσιολογία και των δύο τύπων κυττάρων, παράγοντας ένα, κατά το δυνατόν, πιστό ηλεκτρονικό αντίγραφο του παγκρέατος.

Η συσκευή αποτελείται από έναν ηλεκτροχημικό αισθητήρα που τρυπά το δέρμα, το ολοκληρωμένο κύκλωμα που μοντελοποιεί τη λειτουργία των δύο τύπων κυττάρων και δύο μικρές αντλίες που φέρει ο ασθενής, μια για κάθε ορμόνη. Κάθε πέντε λεπτά, ο αισθητήρας μετρά τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα του ασθενούς – αν εντοπιστούν ανεβασμένα επίπεδα, το κύκλωμα ενεργοποιεί ένα μικρό κινητήρα που πιέζει μια σύριγγα που χορηγεί ινσουλίνη υποδόρια, μέχρι οι μετρήσεις να υποχωρήσουν σε φυσιολογικά επίπεδα. Αντίστοιχα, αν η μέτρηση είναι μειωμένη, επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία, αλλά με την αντλία γλυκαγόνης.

Είναι ιδιαίτερα σημαντικό ότι οι μηχανισμοί ελέγχου του ολοκληρωμένου κυκλώματος έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να μιμούνται τις πολύ διαφορετικές συμπεριφορές των δύο τύπων κυττάρων. Ένα α-κύτταρο δρα απότομα, εκκρίνοντας γλυκαγόνη μέσω απότομων αυξομειώσεων στο ηλεκτρικό δυναμικό στην κυτταρική του μεμβράνη, όταν η γλυκόζη είναι σε χαμηλά επίπεδα, κάνοντας το συκώτι να εκκρίνει ποσότητες γλυκόζης που είναι αποθηκευμένη σε αυτό – όσο τα επίπεδα γλυκόζης πέφτουν, τόσο οι εκκρίσεις γλυκαγόνης γίνονται πιο συχνές και απότομες.

Αντίθετα, οι ηλεκτρικές αυξομειώσεις στην κυτταρική μεμβράνη ενός β-κυττάρου έχουν τη μορφή ριπής, που διακόπτεται από περιόδους ηρεμίας που μπορεί να κρατήσουν δευτερόλεπτα ή ακόμα και λεπτά. Όταν η συγκέντρωση γλυκόζης στο αίμα είναι αυξημένη, η ηλεκτρική δραστηριότητα παραμένει αυξημένη για μεγαλύτερα διαστήματα, οδηγώντας στην έκκριση περισσότερης ινσουλίνης.

Μια αντίστοιχη διπλή αντλία είχε ανακοινωθεί τον Απρίλιο του 2010 από το Πανεπιστήμιο της Βοστώνης και την ιατρική σχολή του Πανεπιστημίου Harvard. Η διαφορά είναι ότι εδώ οι ερευνητές προσπαθούν να μιμηθούν με μεγαλύτερη πιστότητα τη λειτουργία του παγκρέατος, ενώ στην προηγούμενη προσπάθεια, η έμφαση ήταν στην πρόβλεψη της ανάγκης για έκκριση της κατάλληλης ορμόνης. Αν η αρχική κλινική δοκιμή στο Imperial είναι επιτυχημένη, θα ακολουθήσει δοκιμή μεγαλύτερης έκτασης και σε πιο δύσκολες περιπτώσεις ασθενών.