یک ایمپلنت الکترونیکی آزمایشی می‌تواند راهکاری کاملاً جدید برای درمان دیابت نوع ۲ ارائه دهد. این دستگاه به جای اتکا به انسولین یا داروهای متعارف، از الکتریسیته برای تبدیل قند خون اضافی به ماده‌ای استفاده می‌کند که بدن قادر به دفع آن است. در آزمایش‌های اولیه روی موش‌های دیابتی، این فناوری با موفقیت قند خون را تنظیم کرد و همچنین منجر به کاهش وزن شد.
این پیشرفت در حالی رخ می‌دهد که دیابت نوع ۲ همچنان تعداد فزاینده‌ای از افراد در سراسر جهان را درگیر خود می‌کند. برخلاف دیابت نوع ۱، دیابت type 2 اغلب با چاقی، فعالیت بدنی محدود و مصرف انرژی بیش از نیاز بدن در بازه‌های زمانی طولانی مرتبط است.
تزریق انسولین می‌تواند با اجازه دادن به سلول‌های عضلانی برای جذب گلوکز از جریان خون، به کاهش قند خون کمک کند. با این حال، انسولین مشکل اصلی یعنی انرژی مازاد را از بین نمی‌برد. وقتی بدن گلوکز جذب شده را مصرف نکند، مازاد آن سرانجام به چربی تبدیل می‌شود. این موضوع توضیح می‌دهد چرا برخی افراد مبتلا به دیابت حتی در حین دریافت درمان، همچنان دچار افزایش وزن می‌شوند.
پژوهشگران به رهبری مارتین فوسنگر، استاد گروه علوم و مهندسی زیست‌سیستم‌ها در دانشگاه فدرال پلی‌تکنیک زوریخ واقع در شهر بازل، ایمپلنتی طراحی کرده‌اند که برای مقابله با این مشکل رویکردی متفاوت اتخاذ می‌کند. یافته‌های آن‌ها در مجله Science منتشر شده است.
درمان جدید دیابت با نیروی الکتریسیته
فوسنگر و همکارانش سال‌ها صرف توسعه فناوری‌هایی کرده‌اند که قادر به کنترل قند خون باشند. طرح‌های قبلی آن‌ها از شبکه‌های ژنتیکی مهندسی‌شده استفاده می‌کرد، اما این سیستم‌ها به سلول‌های زنده و سایر مواد بیولوژیکی وابسته بودند.
این وابستگی مشکلات متعددی را ایجاد کرد. اجزای بیولوژیکی می‌توانند چالش‌هایی را در زمینه سازگاری ایمنی، پایداری بلندمدت، تولید و اخذ مجوزهای نظارتی به وجود آورند.
پژوهشگران اکنون رویکردی متفاوت را در پیش گرفته و کاتالیزوری ساخته‌اند که کاملاً از مواد معدنی تشکیل شده است. این کاتالیزور عملکرد خود را بدون نیاز به سلول‌های زنده، آنزیم‌ها یا سایر اجزای بیولوژیکی انجام می‌دهد.
در قلب این ایمپلنت، قطعه‌ای از نمد گرافیت قرار دارد که با خوشه‌های ریز طلا پوشیده شده است. این ساختارهای طلایی با ذرات کوچکتر پلاتین آبکاری شده‌اند و سطحی مهندسی‌شده ایجاد می‌کنند که واکنش شیمیایی لازم برای پردازش گلوکز را ممکن می‌سازد.
پژوهشگران این سطح نانومقیاس را خودشان طراحی کردند. به گفته فوسنگر، این مواد در طول آزمون‌های آزمایشگاهی سازگاری زیستی عالی نشان دادند که بیانگر توانایی آن‌ها در تعامل با بافت زنده بدون ایجاد واکنش‌های نامطلوب قابل توجه است.
این سیستم شامل یک کنترل‌کننده الکترونیکی است که در یک محفظه چاپ سه بعدی قرار گرفته است. به جای اتکا به اتصال برق سیمی متعارف، ایمپلنت انرژی را به صورت بی‌سیم در فرکانس ۱۳.۵۶ مگاهرتز دریافت می‌کند. این فرکانس به طور بین‌المللی برای کاربردهای صنعتی، علمی و پزشکی اختصاص یافته است.
نحوه حذف قند خون اضافی توسط ایمپلنت
این فناوری با تبدیل گلوکز اضافی به گلوکونات کار می‌کند؛ ماده‌ای که می‌تواند از طریق ادرار از بدن دفع شود.
به طور معمول، گلوکز انرژی مورد نیاز سلول‌ها را تأمین می‌کند. وقتی مقدار گلوکز موجود بیشتر از نیاز بدن باشد، بخشی از آن انرژی مازاد سرانجام به صورت چربی ذخیره می‌شود. با تبدیل بخشی از گلوکز به گلوکونات، ایمپلنت از متابولیسم و ذخیره شدن آن بخش در بافت‌ها جلوگیری می‌کند و این امر می‌تواند به کاهش تجمع چربی کمک کند.
کل این فرآیند به گونه‌ای طراحی شده است که به صورت خودکار و متناسب با تغییرات لحظه‌ای قند خون عمل کند.
یک حسگر معمولی گلوکز، مشابه آنچه بسیاری از افراد دیابتی روی بازوی خود می‌پوشانند، غلظت گلوکز در بافت را به صورت مداوم اندازه‌گیری می‌کند. وقتی سطوح قند بالا می‌رود، مثلاً پس از وعده غذایی، حسگر از طریق بلوتوث با گوشی هوشمند یا ساعت هوشمند ارتباط برقرار می‌کند.
سپس دستگاه متصل، ایمپلنت را فعال کرده و انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تبدیل گلوکز به گلوکونات توسط کاتالیزور را تأمین می‌کند.
به محض بازگشت سطوح گلوکز به محدوده مطلوب، ایمپلنت به طور خودکار خاموش می‌شود. این سیستم بازخوردی که به عنوان کنترل حلقه بسته شناخته می‌شود، به منظور جلوگیری از افت خطرناک قند خون طراحی شده است.
کنترل قند خون و کاهش وزن در موش‌های دیابتی
برای ارزیابی این فناوری، پژوهشگران ابتدا یک آزمایش آزمایشگاهی با استفاده از مخزنی حاوی ۵ لیتر محلول مغذی همراه با گلوکز انجام دادند. این حجم تقریباً برابر با مقدار خونی است که در بدن یک فرد بزرگسال در گردش است.
این آزمایش نشان داد که کاتالیزور می‌تواند گلوکز را در محلولی با این مقیاس تبدیل کند؛ گامی مهم در جهت ارزیابی پتانسیل آن برای کاربردهای پزشکی.
سپس پژوهشگران این سیستم را در موش‌های دیابتی پیاده‌سازی کردند. نتایج نشان داد که دستگاه می‌تواند سطوح قند خون حیوانات را به دقت تنظیم کند. موش‌ها همچنین کاهش وزن داشتند که پیشنهاد می‌کند تبدیل گلوکز اضافی به جای اجازه دادن به آن برای مشارکت در ذخیره چربی، می‌تواند مزیت متابولیک اضافی ارائه دهد.
طی شش هفته آزمایش، ایمپلنت به طور قابل اعتمادی به کار خود ادامه داد و توسط حیوانات به خوبی تحمل شد.
«این سیستم با ولتاژ بسیار پایین کار می‌کند و آزمایش‌های ما هیچ شواهدی از آسیب بافتی ناشی از اثرات الکتریکی یا حرارتی نشان نداد»، به گفته فوسنگر.
اگرچه این یافته‌ها امیدوارکننده هستند، اما دستگاه هنوز روی انسان آزمایش نشده است. تحقیقات بیشتری برای تعیین اینکه آیا این فناوری می‌تواند ایمن و مؤثر در افراد مبتلا به دیابت عمل کند، ضروری خواهد بود.
آیا الکترونیک می‌تواند آینده درمان دیابت را متحول کند؟
فوسنگر معتقد است این فناوری می‌تواند نمایانگر تغییری بنیادین در نحوه مدیریت دیابت باشد. به جای استفاده از داروها برای تأثیرگذاری بر نحوه پردازش گلوکز توسط بدن، یک دستگاه الکترونیکی می‌تواند مستقیماً مقدار گلوکز موجود را کنترل کند.
«برای دهه‌ها، ما دیابت را با دستور دادن به بدن برای مدیریت گلوکز درمان کرده‌ایم. اکنون نشان می‌دهیم که می‌توانیم کنترل گلوکز را مستقیماً به دست بگیریم، با استفاده از الکترونیک به جای دارو»، او اظهار داشت. «و کاتالیزور تنها زمانی فعال می‌شود که سطوح گلوکز خیلی بالا باشد.»
این رویکرد همچنین فرصت‌هایی را برای اتصال درمان‌های پزشکی به فناوری‌های دیجیتال، از جمله اینترنت اشیا (IoT) ایجاد می‌کند. این اصطلاح به شبکه‌هایی از دستگاه‌ها اشاره دارد که اطلاعات را تبادل کرده و به شرایط متغیر به صورت خودکار پاسخ می‌دهند.
پژوهشگران درمان‌های تحت کنترل الکترونیکی را تصور می‌کنند که می‌توانند به صورت انبوه تولید شده و با سیستم‌های بهداشت دیجیتال موجود ادغام شوند.
هدف بعدی آن‌ها تبدیل ایمپلنت آزمایشی به یک دستگاه پزشکی مناسب برای توسعه بیشتر و در نهایت آزمایش بالینی است.
یکی از مزایای بالقوه، مکانیزم نسبتاً ساده تبدیل گلوکز است. از آنجا که کاتالیزور به سلول‌ها یا آنزیم‌ها وابسته نیست، پژوهشگران معتقدند برخی از چالش‌های فنی مرتبط با درمان‌های بیولوژیکی ممکن است آسان‌تر برطرف شوند.
بخش عمده‌ای از فناوری پشتیبان نیز از قبل در دسترس است. سیستم‌های انتقال قدرت بی‌سیم و کنترل‌کننده‌های الکترونیکی خارجی به صورت تجاری تثبیت شده‌اند، به این معنی که تیم تحقیقاتی نیازی به توسعه هر جزء از صفر نخواهد داشت.
اگر مطالعات آینده مزایای مشابهی را در انسان‌ها نشان دهند، این رویکرد می‌تواند درهای ورود به کلاسی جدید از درمان‌های دیابت را باز کند که در آن دستگاه‌های الکترونیکی هوشمند به طور مستقیم به تنظیم قند خون کمک می‌کنند و احتمالاً وابستگی به داروهای متعارف را کاهش می‌دهند.