Una celda de combustible debajo de la piel que convierte el azúcar en la sangre del cuerpo en energía eléctrica suena a ciencia ficción. Sin embargo, funciona perfectamente, como ha demostrado un equipo de investigación de ETH Zurich dirigido por Martin Fussenegger, profesor de biotecnología y bioingeniería.
En la diabetes tipo 1, el cuerpo no produce insulina. Esto significa que los pacientes tienen que obtener la hormona externamente para regular sus niveles de azúcar en la sangre.
Hoy en día, esto se hace principalmente a través de bombas de insulina que se conectan directamente al cuerpo. Estos dispositivos, así como otras aplicaciones médicas como los marcapasos, requieren un suministro de energía confiableque actualmente se satisface principalmente con energía de baterías individuales o recargables.
La celda de combustible prototipo está envuelta en un vellón y es un poco más grande que la miniatura. Crédito de la imagen: Fussenegger Lab / ETH Zurich
Ahora, un equipo de investigadores dirigido por Martin Fussenegger del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Biosistemas de ETH Zurich en Basilea ha puesto en práctica una idea aparentemente futurista. Han desarrollado una celda de combustible implantable que utiliza el exceso de azúcar en la sangre (glucosa) de los tejidos para generar energía eléctrica.
Los investigadores han combinado la pila de combustible con células beta artificiales desarrolladas por su grupo hace varios años. Estos producen insulina con solo tocar un botón y reducen efectivamente los niveles de glucosa en sangre al igual que sus modelos a seguir naturales en el páncreas.
“Muchas personas, especialmente en las naciones occidentales industrializadas, consumen más carbohidratos de los que necesitan en la vida cotidiana”, explica Fussenegger. Esto, agrega, conduce a la obesidad, la diabetes y las enfermedades cardiovasculares. “Esto nos dio la idea de utilizar este exceso de energía metabólica para producir electricidad para alimentar dispositivos biomédicos”, dice.
Pila de combustible en formato de bolsita de té
En el corazón de la celda de combustible hay un ánodo (electrodo) hecho de nanopartículas a base de cobre, que el equipo de Fussenegger creó específicamente para esta aplicación. Consiste en nanopartículas a base de cobre y divide la glucosa en ácido glucónico y un protón para generar electricidad, lo que pone en movimiento un circuito eléctrico.
Envuelta en una tela no tejida y recubierta con alginato, un producto de algas aprobado para uso médico, la celda de combustible se asemeja a una pequeña bolsita de té que se puede implantar debajo de la piel. El alginato absorbe fluidos corporales y permite que la glucosa pase del tejido a la celda de combustible interna.
Esquema de generación de energía y control de insulina: cuando sube el nivel de glucosa en sangre, se activa el circuito y se estimula la producción de insulina con la energía generada. Crédito de la imagen: esquema: de Maity D, et al, Adv. Mate. 2023 / ETH Zúrich
Una red de diabetes con su propia fuente de alimentación
En un segundo paso, los investigadores acoplaron la pila de combustible con una cápsula que contenía células beta artificiales. Estos pueden ser estimulados para producir y secretar insulina usando corriente eléctrica o luz LED azul. Fussenegger y sus colegas ya probaron este tipo de células de diseño hace algún tiempo (ver Noticias ETH8 de diciembre de 2016).
El sistema combina la generación de energía sostenida y la administración controlada de insulina. Tan pronto como la celda de combustible registra un exceso de glucosa, comienza a generar energía. Esta energía eléctrica luego se usa para estimular las células para que produzcan y liberen insulina en la sangre. Como resultado, el azúcar en la sangre baja a un nivel normal. Una vez que cae por debajo de cierto valor umbral, la producción de electricidad e insulina se detiene.
La energía eléctrica proporcionada por la celda de combustible es suficiente no solo para estimular las celdas de diseño, sino también para permitir que el sistema implantado se comunique con dispositivos externos, como un teléfono inteligente. Esto permite a los usuarios potenciales ajustar el sistema a través de una aplicación correspondiente. Un médico también podría acceder a él de forma remota y hacer ajustes.
“El nuevo sistema regula de forma autónoma los niveles de insulina y glucosa en sangre y podría usarse para tratar la diabetes en el futuro”, dice Fussenegger.
Un camino largo e incierto hacia la madurez del mercado
El sistema existente es sólo un prototipo. Aunque los investigadores lo han probado con éxito en ratones, no pueden convertirlo en un producto comercializable.
“Llevar un dispositivo de este tipo al mercado está mucho más allá de nuestros recursos financieros y humanos”, dice Fussenegger. Esto requeriría un socio de la industria con los recursos y conocimientos adecuados.
Un pinchazo en el dedo ayuda a los pacientes con diabetes a controlar sus niveles de azúcar en la sangre. La diabetes tipo 2 afecta al 10 por ciento de la población mundial, pero la genética subyacente de la enfermedad es poco conocida. Crédito: Darryl Leja, NHGRI
Explicador: ¿Por qué y cuándo es importante monitorear el azúcar en la sangre?
Es importante monitorear los niveles de azúcar en la sangre porque un nivel alto o bajo de azúcar en la sangre puede tener efectos negativos en el cuerpo. El cuerpo necesita glucosa (azúcar) como fuente de energía, pero demasiada o muy poca glucosa puede causar problemas.
Cuando los niveles de azúcar en la sangre son demasiado altos, puede provocar una afección llamada hiperglucemia. Esto puede causar síntomas como aumento de la sed, micción frecuente, visión borrosa, fatiga y cicatrización lenta de las heridas. Con el tiempo, si no se trata, puede provocar complicaciones como daño nervioso, daño renal y enfermedad cardiovascular.
Por otro lado, cuando los niveles de azúcar en la sangre son demasiado bajos, puede provocar una afección llamada hipoglucemia. Esto puede causar síntomas como temblores, sudoración, ansiedad, confusión y, en casos graves, pérdida del conocimiento. La hipoglucemia puede ser peligrosa e incluso potencialmente mortal si no se trata de inmediato.
Las personas con diabetes, en particular, necesitan controlar sus niveles de azúcar en la sangre con regularidad para controlar su condición. Esto implica el uso de un medidor de glucosa para medir los niveles de azúcar en la sangre a lo largo del día y ajustar las dosis de insulina o medicamentos según sea necesario para mantener los niveles de azúcar en la sangre dentro de un rango saludable.
El control de los niveles de azúcar en la sangre durante el embarazo también podría ser importante, ya que se puede desarrollar diabetes gestacional y provocar complicaciones tanto para la madre como para el bebé. En algunos casos, las personas con otras afecciones médicas, como enfermedad hepática o cáncer de páncreas, también pueden necesitar controlar sus niveles de azúcar en la sangre.
Fuente: ETH Zúrich
