Bristol, Reino Unido
Cerca de la confluencia de los ríos Frome y Avon, en el suroeste de Inglaterra, se encuentra la ciudad de Bristol. Su creciente población desmiente su historia de fuertes en colinas y villas romanas del siglo XI de la Edad del Hierro. Hoy en día, su economía se basa en los medios creativos, la electrónica y las industrias aeroespacial. Sin embargo, en los laboratorios de una start-up fácilmente pasada por alto, está naciendo una nueva era en el tratamiento de la diabetes.
Los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE. UU. estiman que el 13 por ciento de los adultos estadounidenses tienen diabetes. Y ese número está creciendo. Puede causar efectos devastadores si no se trata adecuadamente, y suele implicar una supervisión rigurosa y problemática.
La mayor parte de la comida que comes se descompone en azúcar, también llamada glucosa, y se libera en tu torrente sanguíneo. Suministra al cuerpo como su principal fuente de energía.
Cuando sube el azúcar en sangre, eso indica al páncreas que libere insulina, lo que, a su vez, permite que el azúcar entre en las células de tu cuerpo.
La diabetes ocurre cuando el cuerpo no produce suficiente insulina o no puede usar correctamente la insulina que produce. Como resultado, la glucosa permanece en el torrente sanguíneo, lo que provoca niveles altos de azúcar en sangre. Los niveles prolongados de azúcar pueden provocar problemas graves a largo plazo, como neuropatía, pérdida de visión y enfermedades cardíacas y renales.
Existen dos tipos de diabetes: tipo 1 y tipo 2. Las personas con diabetes tipo 1, una enfermedad autoinmune que destruye las células productoras de insulina en el páncreas, deben tomar insulina ya sea mediante inyección varias veces al día o mediante una bomba de insulina, todo el día, todos los días, durante el resto de sus vidas. No existe cura para la diabetes tipo 1. La diabetes tipo 2, que a veces puede controlarse con una dieta saludable y ejercicio, también puede requerir inyecciones de insulina junto con otros medicamentos orales para ayudar a una correcta absorción y sensibilidad de la insulina.
La diabetes suele tratarse suplementando el nivel de insulina del cuerpo tras monitorizar rigurosamente los niveles de glucosa en sangre con múltiples pinchazos en el dedo, lecturas de glucómetro e inyecciones diarias. No es un arreglo ideal.
Hoy en día, algunas personas con diabetes han adoptado nuevas tecnologías. Sistemas mecánicos compactos de monitorización continua de la glucosa controlan los niveles de azúcar en sangre mediante parches sensores. Parches adhesivos mantienen el sensor en su sitio, permitiéndole tomar lecturas de glucosa en el líquido que rodea las células del cuerpo, día y noche. Es un avance significativo en el manejo de la diabetes, pero no está exento de sus carencias. Los sensores generalmente deben reemplazarse cada 10 a 14 días y son algo invasivos.
Muchos de estos contratiempos se deben a la eficiencia de los aglutinantes de glucosa utilizados. La gestión y control de los niveles de azúcar en sangre y los eventos cotidianos que afectan a los niveles de azúcar en sangre (es decir, ingesta de alimentos, ejercicio, estrés, enfermedad, otros medicamentos, etc.) es un acto de equilibrio constante para quienes tienen diabetes. Y especialmente para quienes padecen diabetes tipo 1, tomar un descanso del manejo de la diabetes nunca es una opción. Si los sensores no son precisos o no funcionan correctamente, una persona con diabetes puede estar en serios problemas.
Científicos de la Universidad de Bristol, como parte del Russell Group, un conjunto de 24 universidades británicas de primer nivel mundial y intensivas en investigación, descubrieron una molécula de unión a la glucosa capaz de detectar la presencia de glucosa en el torrente sanguíneo. La molécula es una estructura tipo jaula en la que solo encaja una molécula de glucosa. Puede utilizarse como receptor o sensor de glucosa en sangre.
"La estructura central es simple y simétrica, pero proporciona una cavidad que complementa casi perfectamente el sustrato β-piranósido (glucosa) totalmente ecuatorial. La afinidad del receptor por la glucosa, en Ka ~ 18.000 M−1, se compara bien con los sistemas receptores naturales. Las selectividades también alcanzan niveles biológicos. [i]
Este es un nivel revolucionario de selectividad para la glucosa de un sensor sintético.
Receptor de unión a la glucosa
Robert Tromans en su laboratorio con una HORIBA Duetta
La start-up de Bristol, Carbometrics, es un grupo de químicos orgánicos que trabajan para perfeccionar sensores para el monitoreo continuo del nivel de glucosa en sangre. Robert Tromans, Ph.D., es coautor de esta investigación revolucionaria y jefe de investigación de la empresa.
El descubrimiento va más allá de monitorizar los niveles de glucosa en sangre. Las moléculas de unión a la glucosa también son necesarias para iniciativas en la creación de insulina sensible a la glucosa.
Debido a este potencial, la empresa inicialmente creada por el grupo de investigación de la Universidad de Bristol fue adquirida por Novo Nordisk. Tromans y el equipo fundaron Carbometrics, que ahora colabora con Novo Nordisk, que utiliza su sensor para desarrollar la última insulina sensible a la glucosa.
Tromans dijo que Carbometrics intenta aprovechar el receptor de glucosa de dos maneras:
La glucosa tiene una forma específica, y la molécula de unión actúa como un guante que solo acomodará y detectará esa molécula.
"Así puedes tener efectivamente una señal o una salida de la molécula cuando la glucosa entra, y luego puedes procesar esa señal en una salida útil que pueda ser leída por un dispositivo externo", explicó. "Básicamente hemos diseñado una molécula que tiene la forma perfecta para la glucosa, pero ninguna otra molécula."
Carbometrics está formando alianzas con empresas especializadas en la transmisión de esa información a dispositivos externos. Así como con la actual colaboración con Novo Nordisk para usarla para señalar a la insulina que se active en presencia de glucosa.
Inyectar insulina puede ser peligroso si la dosis es demasiado alta o baja. Si se inyecta demasiada insulina y la glucosa en sangre baja demasiado, esto puede ser muy peligroso (es decir, coma) y potencialmente fatal. Inyectar muy poca insulina y dejar la glucosa en sangre demasiado alta provoca los efectos a largo plazo sobre la salud mencionados anteriormente. El propósito de la colaboración de Carbometrics con Novo Nordisk es desarrollar insulina que, a través de estos receptores, detecte el nivel de glucosa en sangre y ajuste su propia administración a los niveles necesarios.
Novo Nordisk lidera el programa de investigación para estas insulinas sensibles a la glucosa. Carbometrics lo apoya mediante una colaboración de investigación.
"La insulina en sí no sabe cuánta glucosa hay en tu cuerpo", dijo Stacy Coomber, responsable de operaciones de investigación en carbométricos. "Así que estamos ayudando a crear algo que, cuando entra en contacto con la glucosa, cambiará algo de la insulina, lo que significa que o funcionará o no, dependiendo de la cantidad de glucosa que haya en tu cuerpo. Lo que intentamos hacer al ayudar al programa de investigación de Novo Nordisk es desarrollar insulina que básicamente se apague y encienda en presencia de glucosa en la sangre."
"Básicamente estarías dando a tu cuerpo insulina que responde igual que la insulina en alguien sin diabetes", dijo Coomber.
Aunque la prueba de pinchazo en el dedo es buena para monitorizar los niveles de azúcar en sangre, debe hacerse regularmente y no es tan precisa, dijo. Así que, el otro proyecto en el que trabaja la empresa son los sensores de glucosa.
"La idea principal es que tendrás un sensor en tu cuerpo que solo te pones una vez al año o cada pocos años, y está conectado a tu móvil o a un sensor externo que te permite comprobar constantemente la cantidad de glucosa en sangre sin tener que pincharte el dedo, " dijo Troman. " Puede interactuar con tu biología y emitirá una señal dependiendo de la cantidad de glucosa presente."
"Actualmente existen tecnologías similares, pero están limitadas debido a la selectividad imperfecta respecto a la glucosa, donde los resultados pueden verse afectados por otros compuestos en la sangre (como el paracetamol o la vitamina C)", dijo Coomber. "Esperamos que nuestro sensor, con su alta selectividad, pueda superar los problemas que actualmente enfrenta la tecnología de detección de glucosa."
Los ingenieros pueden crear transmisores microscópicos de radio que toman la señal de la molécula y la envían a un dispositivo externo.
La diabetes es solo una de las vías en las que esta molécula de detección continua de glucosa puede ser útil. Los científicos de bioprocesamiento deben conocer la cantidad de glucosa en los reactores a escala industrial, donde se cultivan enzimas y proteínas. A los pacientes de cuidados intensivos se les puede monitorizar los niveles de glucosa junto con su frecuencia cardíaca y niveles de oxígeno.
La molécula continua de unión a glucosa puede reducir el estrés de la prueba tradicional de pinchazo en el dedo. Elimina la barrera social que supone la autoevaluación tradicional de azúcar en sangre. También proporciona tranquilidad al paciente con diabetes, sabiendo que hay algo que sigue monitorizando sus niveles de azúcar en sangre.
Espectrómetro de fluorescencia y absorbancia Duetta
La principal herramienta que utilizan los científicos de carbometría para desarrollar el sensor es la fluorescencia.
"Podemos unir nuestra molécula de unión a la glucosa a algo fluorescente y la cantidad de luz fluorescente emitida puede variar dependiendo de la cantidad de glucosa presente. Y de repente tienes algo con lo que puedes medir la cantidad de glucosa", dijo Tromans.
Están constantemente ajustando y cambiando la molécula de unión a la glucosa para dar una mejor respuesta cuando la glucosa se produce o está cerca. Eso significa cambiar su estructura química, ajustarla ligeramente y luego ver cómo responde a la glucosa.
El equipo utiliza la fluorescencia para determinar qué tan buena es la interacción entre la glucosa y el receptor, porque algunas moléculas que producen detectan la glucosa mejor que otras. Las propiedades fluorescentes incorporadas en el receptor indican lo estrecha que es la unión entre la glucosa y el receptor y, por tanto, lo bien que funciona el receptor. Es un referente de efectividad.
Los científicos de Carbometrics utilizan un espectrómetro de sobremesa HORIBA Duetta para realizar sus mediciones de fluorescencia. El Duetta es un espectrofluorómetro que combina, simultáneamente, las funciones de los espectrómetros de fluorescencia y absorbancia. Con su detector CCD integrado de alta velocidad, el Duetta puede adquirir un espectro completo desde 250 nm hasta 1.100 nm en menos de un segundo, convirtiéndose en el espectrómetro de fluorescencia más rápido del mercado.
"Usamos eso cada día para medir lo buenos que son nuestros receptores en cuanto a cómo se unen a la glucosa, cuánta fluorescencia obtenemos", dijo Tromans. "Lo que más nos gusta del Duetta es que es muy rápido. Así que puedes obtener muchos datos muy rápido."
La Duetta también puede adquirir simultáneamente absorbancia, transmitancia y una matriz de emisión de excitación de fluorescencia (A-TEEM) de una muestra concreta, produciendo matrices de emisión de excitación (EEMs) más rápidas y precisas.
"También lo usamos bastante, porque la fluorescencia y la absorción están estrechamente ligadas y es muy importante conocer ambos parámetros", dijo.
"Eso es algo que realmente usamos porque básicamente obtienes una molécula nueva y ese es el primer experimento que haces. Te dice todo lo que necesitas saber sobre su fluorescencia, y puedes hacerlo en un par de minutos, quizá incluso segundos con la Duetta. En nuestro antiguo espectrómetro tardaba unas 10 horas en hacerlo."
El momento para la comercialización de la molécula de unión a la glucosa es difícil de decir y confidencial. Pero Tromans estaba dispuesto a llegar hasta aquí:
"Actualmente estamos colaborando con varios socios para lograr este objetivo. Creo que es justo decirlo."
[1] Robert A. Tromans, Tom S. Carter, Laurent Chabanne, Matthew P. Crump, Hongyu Li, Johnathan V. Matlock, Michael G. Orchard y Anthony P. Davis Un receptor biomimético para glucosa Nature Chemistry volumen 11, páginas 52–56 (2019)
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