Diseñan células productoras de insulina para la diabetes activadas por la luz

Las células beta pancreáticas "encendidas" por la luz mejoran la producción de insulina en respuesta a los niveles de glucosa

Investigadores de la Universidad de Tufts han trasplantado células beta pancreáticas modificadas por ingeniería genética en ratones diabéticos, luego han causado que las células produzcan más de dos o tres veces el nivel típico de insulina al exponerlas a la luz.

Las células de luz conmutable están diseñadas para compensar la menor producción de insulina o la respuesta de insulina reducida encontrada en individuos diabéticos. El estudio publicado en ACS Synthetic Biology muestra que los niveles de glucosa pueden controlarse en un modelo de diabetes en ratones sin intervención farmacológica.

La insulina es una hormona que desempeña un papel central en el control preciso de los niveles de glucosa circulante, el combustible esencial utilizado por las células. La diabetes afecta a más de 30 millones de estadounidenses según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC).

En la diabetes tipo II, la forma más común de la enfermedad, las células del cuerpo se vuelven ineficientes para responder a la insulina y, como consecuencia, la glucosa en circulación puede volverse peligrosamente alta (hiperglucemia) mientras que el páncreas no puede producir suficiente insulina para compensar. En la diabetes tipo I, el sistema inmunitario destruye las células beta, que son las únicas células en el cuerpo que producen insulina, lo que resulta en una falta total de la hormona.

Los tratamientos actuales incluyen la administración de medicamentos que mejoran la producción de insulina por las células beta pancreáticas, o la inyección directa de insulina para complementar el suministro producido naturalmente. En ambos casos, la regulación de la glucosa en sangre se convierte en un proceso manual, con intervención de drogas o insulina realizada después de lecturas periódicas de los niveles de glucosa, que a menudo conducen a picos y valles que pueden tener efectos nocivos a largo plazo.

Los investigadores buscaron desarrollar una nueva forma de amplificar la producción de insulina mientras se mantenía el importante vínculo en tiempo real entre la liberación de insulina y la concentración de glucosa en el torrente sanguíneo. Lograron esto aprovechando la 'optogenética', un enfoque que se basa en proteínas que cambian su actividad bajo demanda con luz.

Las células beta pancreáticas se diseñaron con un gen que codifica una enzima adenilato ciclasa (PAC) fotoactivable. La PAC produce la molécula de monofosfato de adenosina cíclico (cAMP) cuando se expone a la luz azul, que a su vez aumenta la producción de insulina estimulada por glucosa en la célula beta. La producción de insulina puede aumentar de dos a tres veces, pero solo cuando la cantidad de glucosa en sangre es alta. A niveles bajos de glucosa, la producción de insulina sigue siendo baja.

Esto evita un inconveniente común de los tratamientos para la diabetes que pueden compensar en exceso la exposición a la insulina y dejar al paciente con un nivel de azúcar en la sangre dañino o peligrosamente bajo (hipoglucemia).

Los investigadores descubrieron que el trasplante de las células beta pancreáticas modificadas por ingeniería genética bajo la piel de ratones diabéticos condujo a una mejor tolerancia y regulación de la glucosa, redujo la hiperglucemia y niveles más altos de insulina en plasma cuando se sometió a iluminación con luz azul.

"Es una analogía al revés, pero en realidad estamos usando la luz para encender y apagar un interruptor biológico", dijo Emmanuel Tzanakakis, profesor de ingeniería química y biológica en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Tufts y autor correspondiente del estudio.

"De esta manera, podemos ayudar en un contexto diabético a controlar mejor y mantener niveles apropiados de glucosa sin intervención farmacológica. Las células realizan el trabajo de producción de insulina de forma natural y los circuitos reguladores dentro de ellas funcionan igual; simplemente aumentamos la cantidad de cAMP de forma transitoria en las células beta para que produzcan más insulina solo cuando es necesaria".

La luz azul simplemente cambia el interruptor del modo normal al modo impulso. Tales enfoques optogenéticos que utilizan proteínas activables por la luz para modular la función de las células se están explorando en muchos sistemas biológicos y han impulsado los esfuerzos hacia el desarrollo de un nuevo género de tratamientos.

"El uso de la luz para controlar el tratamiento tiene varias ventajas", dijo Fan Zhang, estudiante graduado en el laboratorio de Tzanakakis en Tufts y primer autor del estudio. "Obviamente, la respuesta es inmediata; y a pesar del aumento de la secreción de insulina, la cantidad de oxígeno consumida por las células no cambia significativamente como lo muestra nuestro estudio. La falta de oxígeno es un problema común en los estudios que involucran células pancreáticas trasplantadas".

Referencia científica: Amelioration of Diabetes in a Murine Model upon Transplantation of Pancreatic β-Cells with Optogenetic Control of Cyclic Adenosine Monophosphate