El páncreas artificial es una tecnología en desarrollo para ayudar a las personas con diabetes a controlar automáticamente sus niveles de glucosa en la sangre proporcionándoles un substituto endócrino con las funciones de un páncreas saludable.
Hay varias funciones importantes exócrinas (sistema digestivo) y endócrinas (hormonas) en el páncreas, pero es la falta de producción de insulina lo que motiva a crear un substituto. Mientras el estado actual de las terapias para reemplazar la insulina sea apreciada por su capacidad de salvar vidas, la tarea de regular los niveles de azúcar en la sangre con solo insulina es difícil e inadecuada.
Las dos metas del páncreas artificial son: Mejorar las terapias de reemplazo de insulina hasta que el control glicémico sea prácticamente normal y tan obvio por haber evitado las complicaciones/prognosis de la diabetes mellitus causada por hiperglicemia. Para facilitar la carga de la terapia para los pacientes con insulinodependencia.
Los diferentes acercamientos bajo consideración incluyen: El acercamiento mediante equipo médico – usando una bomba de insulina bajo el control teórico/”closed loop control” , usando datos reales y actuales provenientes de un monitor de glucosa en la sangre/ censor continuo de glucosa en la sangre. El acercamiento por la bioingenierico – el desarrollo de un páncreas artificial compuesto de tejido biocompatible de células beta(ß). Cuando sea implantado quirúrgicamente, los islotes del tejido se comportaran con el páncreas (endocrinamente) y será viable por años. El acercamiento por terapia de genes – la infección terapéutica de una persona diabética , provocada por un virus genéticamente creado por ingenieros , causa un cambio en el ADN de las células intestinales para que se conviertan en células productoras de insulina.
Fisiología Endocrina del Páncreas
El páncreas produce tres hormonas importantes para el control de la glucemia: Insulina: Baja los niveles de glucosa en sangre. Amilina: Ralentiza la digestión y la entrada de glucosa al torrente sanguíneo, y temporalmente suprime la liberación de glucosa. Glucagón: Aumenta los niveles de glucosa en sangre.
Después de la ingesta de carbohidratos los niveles de glucosa se elevan. Conforme la glucosa y la sangre fluyen hacia el páncreas ocurre la secreción de amilina e insulina hacia el torrente sanguíneo, por parte de las células beta del páncreas, como respuesta a una glicemia elevada. En la presencia de glucosa estos impulsos de insulina son producidos cada 4 a 6 minutos. La insulina provoca que la glucosa abandone la circulación sanguínea y sea depositada en las células de músculo e hígado. Si la glucosa en sangre se eleva, insulina adicional es secretada para contrarrestarla. Igualmente, mientras se da la secreción de insulina de las células beta de los Islotes de Langerhans del páncreas, también se secreta amilina al torrente sanguíneo. La amilina disminuye el vaciamiento gástrico e inhibe la liberación de glucagón por parte de las células alfa del páncreas. El efecto de la amilina es la diseminación de la glucosa después del pico que se genera al consumir alimentos; reduce de esta manera la cantidad de insulina necesaria para procesar la glucosa. Conforme los niveles de glucosa en sangre vayan disminuyendo, el páncreas deja de secretar insulina y amilina. Si los niveles de glucosa sérica bajan demasiado, las células alfa del páncreas comenzarán a secretar glucagón al torrente sanguíneo. El glucagón provoca la liberación de la glucosa almacenada en el hígado al torrente sanguíneo. Así, las tres hormonas funcionan como un sistema para mantener los niveles de glucosa sérica en equilibrio. A través de descargas de insulina, tal como lo hace un páncreas no diabético, el objetivo de un páncreas artificial es logrado. Cuando las células beta producen insulina a partir de la proinsulina, un péptido de conexión (o péptido C) también se fabrica y se libera en el torrente sanguíneo. La ausencia de péptido C en la sangre indica que la insulina no ha sido liberada por el páncreas, y este hecho confirma el diagnóstico de la diabetes tipo 1.Anteriormente se creía que el péptido C era sólo un subproducto de la producción de insulina natural; sin embargo, estudios recientes sugieren que el C-péptido ejerce efectos terapéuticos beneficiosos sobre la neuropatía diabética nociceptiva.C-Peptide Reverses Nociceptive Neuropathy in Type 1 Diabetes - Kamiya et al. 55 (12): 3581 - Diabetes
Idealmente, para replicar la función natural del páncreas lo mejor posible, un páncreas artificial debería algún día poder reemplazar todas las funciones endocrinas beneficiosas perdidas, incluyendo la administración de insulina, la amilina, glucagón, y péptido C.
Terapia de insulina thumb|right|300px|La bomba de insulina es usada para suministrar insulina basal continuamente e insulina del bolo a la hora de comer presionando botones. Antes de la comida, un valor de glucosa en la sangre es introducido en la bomba para calcular la corrección del bolo para traer el nivel de glucosa al valor ideal En personas insulinodependientes, los niveles de glucosa en sangre han sido más o menos controlados usando insulina sola. El número de gramos de carbohidratos es estimado midiendo la comida, y las medidas son usadas para determinar la cantidad de insulina necesaria para “cubrir” la comida. El cálculo está basado en un simple modelo de ciclo abierto: una proporción de insulina a carbohidratos (basados en éxitos pasados) es multiplicada por los gramos de carbohidrato para calcular las unidades de glucosa necesitadas. La cantidad de insulina es luego ajustada basándose en una medida de la glucemia antes de la comida (el bolo de la insulina incrementado para un alto nivel de azúcar o el bolo disminuido y retrasado para un bajo nivel de azúcar). La insulina es inyectada o infundida subcutánea, y entra el torrente sanguíneo en aproximadamente 15 minutos. Después de que la insulina ha actuado en el torrente sanguíneo, los niveles de glucosa en sangre pueden ser medidos otra vez y ajustados con una inyección de insulina, o comiendo más carbohidratos, hasta alcanzar un equilibrio. El modelo cuenta con los requisitos para realmente imitar el suministro pancreático normal de insulina en el hígado para alcanzar una adecuada estimulación hepática y para causar las funciones normales inducidas por insulina; por ello, el dispositivo de infusión intravenosa será necesario hasta que otro sistema sea capaz de distribuir las concentraciones a los portales de venas. Existen algunas diferencias notables con el reemplazo insulina comparada con las funciones de suministración pancreática de la insulina.
La dosis de insulina es prevista basada en la comida medida (en donde la precisión de los carbohidratos medidos es difícil) mientras que la insulina pancreática es liberada en respuesta proporcionalmente a los niveles actuales de glucosa en sangre; La insulina pancreática es transferida a las venas porta, en donde se dirige casi directamente al hígado, el cual es el principal órgano almacenador de glucógeno (50% de la insulina producida es empleada por el hígado) La insulina pancreática es pulsátil lo que ayuda a mantener la sensibilidad a los tejidos hepáticos. La insulina inyectada es administrada subcutáneamente (debajo de la piel) pero no directamente al torrente sanguíneo, por lo que hay un retraso después de que la insulina fue inyectada par a reducir los niveles de glucosa en sangre (aunque esto puede compensarse inyectando la insulina 15 minutos antes de comer). La terapia con insulina reemplazada no incluye a la amilina (aunque, Symlin es ahora disponible para su uso), que puede reducir la necesidad de insulina en un 50%. La insulina reemplazada es dosificada como un mejor compromiso con el uso agresivo para bajar el nivel de glucemia al comer, pero también con un uso conservador para evitar un bajo nivel de azúcar post-prandial (después de comer) debido a un exceso de insulina. Mientras, las liberaciones de insulina pancreática son más agresivamente e incluye la liberación automática del glucagón, al final del ciclo de la insulina, para controlar los niveles de glucosa en sangre y evitar la hipoglucemia.
Una bomba de insulina para infundir insulina de rápida acción, es el primer paso para estimular la función del páncreas. La bomba puede suministrar con mucha precisión pequeños incrementos de insulina comparado con una inyección, y sus controles electrónicos permiten modificar al bolo durante el tiempo para que coincida con el perfil requerido para una situación dada. La bomba de insulina es controlada por el usuario para bolo basado una medida de glucemia reciente y un estimado de los gramos de carbohidratos consumidos. Este acercamiento predictivo es considerado ciclo abierto. Una vez que el bolo ha sido calculado y suministrado, la bomba continua suministrando insulina en su estado basal en la manera en la que fue programada en los controles de la bomba basados en las predicciones de necesidad de insulina del usuario.
Mientras que el reemplazo de la insulina es visto como una terapia salvadora de vidas, su uso práctico en el control de los niveles de glucosa en sangre para evitar las complicaciones a largo plazo asociados con la hiperglicemia, no son los ideales. De igual manera, es de acuerdo general que aunque con un riguroso control de la glucosa, existe un número significante de pacientes que desarrollan las complicaciones de la diabetes. Por ello, una de las metas del páncreas artificial debería de ser normalizar el metabolismo de lípidos y carbohidratos al mínimo. Enfoques para un páncreas artificial Enfoque de la bioingeniería El páncreas bioartificial: este diagrama muestra el cruce del tejido biomaniopulado con los islotes de Langerhans encapsulados que se encargan de las hormonas endocrinas en respuesta de glucosa Un enfoque biológico que se le puede dar al páncreas artificial es para implantar tejido biomanipulado que contiene islotes de Langerhans, que sería capaz de secretar insulina, amilina, y glucagón necesarios en respuesta a glucosa Cuando los islotes de Langerhans habían sido trasplantados por el protocolo de Edmonton, la producción de insulina (y el control de la glucemia) fue restaurada a expensas de la inmunosupresión. La encapsulación de los islotes de Langerhans en su recubrimiento protector ha sido desarrollado para bloquear la respuesta inmune a células trasplantadas, lo cual alivia la carga de la inmunosupresión y ayuda a que dure más el trasplante Un concepto de páncreas bioarticial usa islotes de Langerhans encapsuladas para construir una “hoja de islote” que puede ser implantada por cirugía con una función de páncreas artificial La “hoja de islote” consiste en: Un interior de fibras que proven fuerza para la misma Islotes de langerhans, que encapsulados evitan que se active una respuesta inmune Una capa semipermeable que se encuentra alrededor de la hoja y que da protección, además regula la difusión de nutrientes y de hormonas Un revestimiento que da protección y que previene la respuesta a un cuerpo extraño y que resulte en una reacción fibrótica en la cual se pierdan las paredes de la hoja y causa la pérdida de los islotes de Langerhans
La investigación respecto a la hoja del islote lleva un gran avance en estudios con animales, con planes para ser usado en experimentos en humanos en unos cuanto
Enfoque de terapia génica Terapia génica: Diseñar un vector viral para infectar deliberadamente células con ADN para llevar a cabo la producción viral de insulina en respuesta a la baja de glucemia. La tecnología necesaria para la terapia génica avanza a un ritmo muy rápido, tanto que ya hay múltiples caminos para mantener la función endócrina, con el potencial necesario para llegar a ser la cura para la diabetes.