La biimpresión de islotes abre la puerta a tratamientos más efectivos para la diabetes

Un estudio reciente publicado por investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) abre la puerta a una investigación y tratamiento más efectivos de la diabetes. El nuevo enfoque aprovecha la biimpresión para recrear la maduración de los islotes pancreáticos. Este desarrollo tiene el potencial de ayudar a los científicos a comprender más a fondo las complejidades de la diabetes y salvar millones de vidas.

¿Qué es la diabetes

La diabetes es una condición crónica de salud caracterizada por niveles elevados de glucosa (azúcar) en la sangre. Esto ocurre ya sea porque el páncreas no produce suficiente insulina, una hormona que ayuda a trasladar la glucosa del torrente sanguíneo a las células, o porque las células del cuerpo no responden adecuadamente a la insulina. La glucosa es una fuente vital de energía para el cuerpo, y la insulina desempeña un papel crítico en la regulación de sus niveles.

Cuando este sistema falla, la glucosa se acumula en el torrente sanguíneo en lugar de ser utilizada eficientemente por las células. Con el tiempo, un nivel de azúcar en sangre persistentemente alto puede provocar complicaciones graves, incluyendo daño a los nervios, al corazón, a los riñones, a los ojos y a los vasos sanguíneos.

Globalmente, la diabetes es una preocupación creciente. Según la Federación Internacional de Diabetes, aproximadamente el 10,5 % de la población adulta mundial vive con alguna forma de la enfermedad. En los Estados Unidos, datos recientes de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) estiman que alrededor de 38,1 millones de personas —aproximadamente el 11,6 % de la población— tienen diabetes. La probabilidad de desarrollar la condición aumenta con la edad, y la prevalencia tiende a ser mayor en naciones desarrolladas, aunque también está aumentando rápidamente en regiones en desarrollo.

Existen varios tipos de diabetes, pero los dos más comunes son la Tipo 1 y la Tipo 2.

Diabetes Tipo 1

La diabetes tipo 1 es una condición autoinmune en la que el sistema inmunitario del cuerpo ataca y destruye por error las células beta productoras de insulina en el páncreas. Como resultado, el cuerpo produce poca o ninguna insulina, lo que le impide regular los niveles de azúcar en sangre de forma natural. Esto provoca que la glucosa se acumule en el torrente sanguíneo.

La diabetes tipo 1 a menudo se diagnostica en niños y adultos jóvenes, por lo que históricamente se le ha llamado “diabetes juvenil”. Sin embargo, puede desarrollarse a cualquier edad. Las personas con diabetes tipo 1 requieren terapia de insulina diaria de por vida, ya que actualmente no existe una cura. Esta forma de diabetes representa aproximadamente el 5‑10 % de todos los casos diagnosticados.

Diabetes Tipo 2

La diabetes tipo 2 es la forma más común de diabetes a nivel mundial. Ocurre cuando el cuerpo se vuelve resistente a la insulina o cuando el páncreas no produce suficiente insulina para satisfacer las necesidades del organismo. A diferencia de la tipo 1, que es de naturaleza autoinmune, la tipo 2 está mayormente asociada a factores de riesgo modificables como el exceso de peso, una dieta pobre, la inactividad física y la presión arterial alta, aunque la predisposición genética también juega un papel.

La diabetes tipo 2 suele desarrollarse de forma gradual, a menudo durante muchos años, y puede pasar desapercibida al principio. Los cambios en el estilo de vida, como una alimentación mejorada, mayor actividad física y control del peso, son las primeras líneas de tratamiento y pueden reducir significativamente el riesgo o la progresión de la enfermedad. En algunos casos, también pueden ser necesarios medicamentos orales o terapia con insulina.

Investigación y tratamientos actuales para la diabetes

La forma más común de tratamiento de la diabetes son las inyecciones de insulina o medicamentos que hacen que el cuerpo sea más sensible a la insulina. Este enfoque ha demostrado ser eficaz para evitar que la enfermedad empeore. Sin embargo, requiere inyecciones de por vida, lo que genera altos costos de tratamiento que nunca resuelven la causa del padecimiento.
Al reconocer la falta de una cura, los científicos han comenzado a intentar recrear las condiciones que permiten que la diabetes se desarrolle. En este tipo de investigación, se utilizan células madre para generar células pancreáticas. Estas células cultivadas en laboratorio permiten a los fabricantes de fármacos y a los especialistas en tratamientos probar opciones sin necesidad de un paciente. Como tal, son un componente vital en la lucha contra la diabetes.

Limitaciones de los tratamientos actuales de la diabetes

Años de investigación han demostrado que es muy difícil recrear el entorno del páncreas de manera lo suficientemente estable para utilizarlo en investigación y pruebas. Ingenieros en el pasado observaron que las células pancreáticas derivadas de células madre (SC) cultivadas en laboratorio no funcionaban como sus contrapartes naturales.
Los investigadores determinaron que este comportamiento se debía a la falta de características clave presentes en el microambiente extracelular tridimensional y peri-vascular del páncreas. Afortunadamente, un equipo de ingenieros innovadores ha propuesto un nuevo enfoque que resuelve este problema, abriendo la puerta a tratamientos más efectivos.

Visión general del estudio POSTECH

El estudio “Bioprinting of bespoke islet-specific niches to promote maturation of stem cell-derived islets“¹ publicado en Nature Communications presenta un método novedoso para crear islotes pancreáticos. La estrategia se basa en una técnica de impresión que favorece la coordinación funcional de los islotes pancreáticos, la matriz extracelular (ECM) y la vasculatura.

Fuente – POSTECH

Islotes pancreáticos

Los islotes pancreáticos son responsables de secretar insulina para mantener los niveles de azúcar en sangre bajo control. Estos islotes albergan muchas células hormonales endocrinas que desempeñan un papel vital en el desarrollo y funcionamiento de tu cuerpo. Específicamente, aquí se encuentran las células β productoras de insulina, las células α productoras de glucagón y las células δ productoras de somatostatina.

Matriz extracelular (ECM)

Cabe destacar que los islotes pancreáticos se encuentran dentro de una matriz extracelular (ECM) que está repleta de proteínas y biomoléculas vitales para el crecimiento estructural y bioquímico de tus células. Por lo tanto, cualquier alteración de la ECM puede afectar negativamente la producción de glucosa de tu cuerpo.
Además, investigaciones muestran que tu ECM está compuesta por solo alrededor del 2 % de proteínas de la membrana basal (BM). Estas proteínas se han demostrado cruciales en la producción de glucosa, ya que son responsables de estabilizar la afinidad de unión de la ECM de las células endocrinas y la señalización de integrinas.

Vasculatura

Una extensa red de venas suministra flujo sanguíneo a tus islotes pancreáticos y a la ECM. Esta vasculatura ayuda a proporcionar a la ECM los nutrientes que necesita para apoyar los islotes y su función principal de secretar insulina para reducir los niveles de azúcar en sangre.

El papel de la biimpresión 3D en el estudio

La biimpresión es una forma de impresión 3D que utiliza materiales vivos en crecimiento. Puede emplearse para fabricar entornos biológicos complejos que son ideales para pruebas y propósitos de investigación. En este estudio, los ingenieros crean una guía geométrica basada en biimpresión para reconstruir la disposición espacial de los periféricos naturales de los islotes.

La plataforma HICA-V

La nueva estrategia de impresión denominada HICA-V es capaz de crear células de islotes derivadas de células madre junto con estructuras vasculares, tal como se encuentran en el cuerpo. Específicamente, el sistema utiliza una guía geométrica para recrear el patrón espacial de los periféricos de los islotes. Esta estrategia permitió a los ingenieros recrear condiciones pancreáticas de manera que los islotes pudieran desarrollarse completamente.
Además, el estudio detalla cómo el equipo bioingenió nichos pancreáticos similares a los vividos. Lograron la tarea al obtener la combinación adecuada de matriz extracelular específica del tejido pancreático y proteínas de la membrana basal.

Bioink PINE: Recreando el entorno pancreático

El equipo necesitó crear un nuevo tipo de bioink para lograr su objetivo de recrear las condiciones de los islotes pancreáticos. Para cumplir esta tarea, los científicos desarrollaron un bioink especializado llamado PINE (Matriz extracelular similar al nicho peri-islote).
Cabe destacar que esta variante de bioink incluye componentes vitales para el crecimiento de los islotes, como una ECM completa con proteínas de la membrana basal. Curiosamente, los ingenieros crean el bioink utilizando extractos de tejido pancreático real para obtener laminina y colágeno IV.

Procedimientos experimentales y pruebas

El equipo creó múltiples pruebas para asegurar que su descubrimiento fuera preciso. Comenzaron preparando tejido pancreático porcino descelularizado. También utilizaron un proceso de agregación con matraces giratorios para generar conglomerados similares a islotes que eran muy parecidos a las versiones naturales.

Resultados del estudio POSTECH

Los resultados de sus pruebas revelan que las células cultivadas dentro de la plataforma HICA-V mostraron características comparables a los islotes nativos. Las versiones impresas demostraron una mayor producción de insulina. Además, los ingenieros pudieron reproducir respuestas patológicas observadas en condiciones diabéticas.
Los resultados demuestran que el método de impresión puede producir la estructura y función del páncreas endocrino humano. Permitió que las células impresas se desarrollaran completamente en islotes funcionales, abriendo la puerta a investigaciones avanzadas y tratamientos de nueva generación.

Beneficios del tratamiento de la diabetes

Hay varios beneficios que convierten esta investigación en un gran descubrimiento. Por un lado, brinda una opción de prueba estable y de fácil acceso para los fabricantes de fármacos y profesionales de la salud que buscan monitorear la efectividad de sus tratamientos.
Otro gran beneficio es la capacidad de crear utilizando una impresora 3D. Este enfoque es más estable y fácil de acceder. Además, proporciona resultados duplicables que pueden compartirse instantáneamente con otros investigadores que buscan crear islotes para sus estudios.

Conoce al equipo de investigación

El informe sobre el tratamiento de la diabetes fue liderado por el profesor Jonah Jang de POSTECH. Además, Myungji Kim, Seungyeun Cho, Dong Gyu Hwang, In Kyong Shim, Song Cheol Kim, Jiwon Jang y Jinah Jang asistieron en la investigación y redacción del artículo.
Cabe destacar que el proyecto recibió financiación de diversas fuentes, incluyendo una subvención del Ministerio de Ciencia y TIC, el Fondo Coreano para la Medicina Regenerativa financiado por el Ministerio de Ciencia y TIC, el Ministerio de Salud y Bienestar, y el Proyecto Alchemist financiado por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía.

Aplicaciones y cronogramas

Existen varias aplicaciones para esta tecnología. Por un lado, esta investigación y el método mejorado de impresión 3D actuarán como una herramienta valiosa para la investigación de la diabetes y el desarrollo de fármacos. Permitirá a los ingenieros probar sus medicamentos en células vivas para asegurarse de que comprendan plenamente todos los efectos secundarios y la efectividad.

Esta maniobra debería acelerar el desarrollo de fármacos anti-diabéticos y abrir la puerta a trasplantes de islotes pancreáticos en pacientes que no producen insulina. Estas células también ayudarán a los científicos a comprender mejor cómo factores externos como la contaminación y el medio ambiente afectan a tus islotes pancreáticos.

Dadas las graves condiciones médicas a las que puede conducir la diabetes, existe un apoyo considerable para impulsar este procedimiento a través de todas las fases de prueba y llevarlo al público lo antes posible. Por lo tanto, podrías ver esta tecnología introducida dentro de los próximos 5 años.

Empresas líderes en innovación en tratamientos de la diabetes

Tratar la diabetes es un gran negocio y los fabricantes de fármacos continúan invirtiendo fuertemente en crear mejores opciones. Desde empresas que ofrecen pruebas en casa hasta aquellas que proporcionan medicamentos y tratamientos, hay muchos actores en el ámbito de la salud diabética. Aquí hay una empresa que ha logrado crear un nicho.

Halozyme Therapeutics, Inc

Halozyme Therapeutics (HALO ) ingresó al mercado en 1998 con el objetivo de introducir métodos novedosos de administración de fármacos. La empresa tiene su sede en San Diego, CA. Salió a bolsa en 2004 y desde entonces ha crecido hasta convertirse en una fuerza dominante en el sector biotecnológico.
Halozyme Therapeutics ofrece una variedad de productos, incluidos métodos de administración de fármacos disruptivos de nueva generación. Sus principales productos incluyen dispositivos auto‑inyectores de primera categoría. Estas unidades se derivan de una enzima recombinante humana de hialuronidasa patentada (rHuPH20) que permite la entrega de biológicos inyectables directamente desde un dispositivo fácil de usar.