Βιολογικές εφαρμογές νανοϋλικών για τη διάγνωση και αντιμετώπιση διαταραχών του μεταβολισμού της γλυκόζης
Authors: Παπανικολάου Ειρήνη 
Published: July 2024

Ο Σακχαρώδης Διαβήτης (ΣΔ) είναι μια χρόνια μεταβολική διαταραχή που χαρακτηρίζεται από την απώλεια ελέγχου της ομοιόστασης της γλυκόζης από τον οργανισμό. Τις τελευταίες δεκαετίες η εξάπλωση του ΣΔ έχει λάβει επιδημικές διαστάσεις σε παγκόσμιο επίπεδο. Σύμφωνα με τη Διεθνή Ομοσπονδία Διαβήτη εκτιμάται ότι σήμερα 538 εκατομμύρια άνθρωποι παγκοσμίως πάσχουν από κάποια μορφή διαβήτη, ενώ ο αριθμός αυτός αναμένεται να φτάσει τα 783 εκατομμύρια έως το 2045. Ο ΣΔ αποτελεί πλέον ένα από τα μεγαλύτερα ζητήματα της δημόσιας υγείας επιδρώντας σημαντικά στην κοινωνικο- οικονομική ανάπτυξη κάθε χώρας. Η εξέλιξη της Νανοτεχνολογίας έδωσε ελπίδα στη διαχείριση του ΣΔ. Με την ανάπτυξη των συστημάτων συνεχούς καταγραφής της γλυκόζης και τις αντλίες ινσουλίνης μειώθηκαν σημαντικά τα επεισόδια υπο- και υπερ- γλυκαιμίας και βελτιώθηκε η ποιότητα των διαβητικών ασθενών. Ωστόσο, υπάρχουν περιθώρια βελτίωσης και πλέον γίνονται προσπάθειες για την ανάπτυξη νέων συστημάτων ανίχνευσης των επιπέδων γλυκόζης και χορήγησης της θεραπευτικής αγωγής. Πιο συγκεκριμένα, η έρευνα στοχεύει στην ανάπτυξη μη επεμβατικών «κλειστών» συστημάτων (closed-loop) για τη διαχείριση του ΣΔ τα οποία θα προσφέρουν όχι μόνο συνεχή καταγραφή της συγκέντρωσης της γλυκόζης αλλά και αποδέσμευση της ενδεδειγμένης θεραπευτικής ουσίας όποτε κρίνεται απαραίτητο. Τα συστήματα αυτά θα βελτιώσουν σημαντικά την ποιότητα ζωής των πασχόντων από την ασθένεια καθώς θα προσφέρουν πιο αποτελεσματικό έλεγχο της γλυκόζης, μειωμένη χορηγούμενη δόση φαρμάκου, καλύτερη συμμόρφωση του ασθενούς και καλύτερο έλεγχο της θεραπείας. Η δημιουργία των «κλειστών» συστημάτων απαιτεί την ανάπτυξη καινοτόμων μη επεμβατικών αισθητήρων ανίχνευσης της γλυκόζης σε υγρά εκτός του αίματος (π.χ. στον ιδρώτα) αλλά και νανοφορέων για την αυτοματοποιημένη χορήγηση της θεραπευτικής αγωγής, από εναλλακτικές οδούς, όποτε απαιτείται. Για τον λόγο αυτό, καθίσταται αναγκαία η σύνθεση πιο αποτελεσματικών και πιο βιοσυμβατών νανοϋλικών. Το γραφένιο είναι ένα νανοϋλικό το οποίο χάρη στις άριστες ηλεκτροχημικές του ιδιότητες ξεχώρισε νωρίς στις βιοϊατρικές εφαρμογές. Τα μοναδικά χαρακτηριστικά του το καθιστούν ιδανικό υποψήφιο για την ανάπτυξη βιοαισθητήρων υψηλής ακρίβειας. Μάλιστα, οι αισθητήρες γραφενίου αποτελούν τεχνολογία αιχμής σε σχέση με τους συμβατικούς αισθητήρες όσον αφορά την ανάλυση και την ευαισθησία. Ο λόγος για τον οποίο το γραφένιο δεν έχει πάρει ολοκληρωτικά τα ηνία σε ιατρικές εφαρμογές, είναι η δυσκολία παραγωγής σε μεγάλη κλίμακα και υψηλής ποιότητας γραφενίου με χαμηλό κόστος και περιβαλλοντολογικά φιλικό τρόπο. Τα τελευταία χρόνια, με τη χρήση των τεχνικών της «πράσινης» χημείας κατέστη δυνατή η αποφυλλοποίηση του γραφενίου από γραφίτη χωρίς τη χρήση τοξικών διαλυτών. Ωστόσο ακόμη δεν έχει διερευνηθεί η βιοσμβατότητα των δομών αυτών με ανθρώπινα κύτταρα και ιστούς. Πρωταρχικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να διερευνήσει κατά πόσο η «πράσινη» αποφυλλοποίηση του γραφίτη οδηγεί στη σύνθεση πιο βιοσυμβατών νανοϋλικών σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους. Καθώς η λειτουργική τροποποίηση των νανοϋλικών επηρεάζει τόσο τα χαρακτηριστικά όσο και την τοξικότητά τους, ελέγχθηκαν in vitro τρεις διαφορετικές δομές που έχουν ως βάση το γραφένιο: γραφένιο, «ντοπαρισμένο» με άζωτο (N- Doped) γραφένιο και γραφένιο συνδεδεμένο με νιτρικά, οι οποίες συντέθηκαν με δύο διαφορετικές μεθόδους που περιλάμβαναν τη χρήση χημικών ή βιολογικών διαλυτών. Είναι γνωστό ότι οι επιδράσεις των νανοϋλικών διαφέρουν σε κάθε είδος κυττάρου και έτσι η τοξικότητα των νανοϋλικών γραφενίου ελέγχθηκε σε τρεις διαφορετικές κυτταρικές σειρές (ινοβλάστες NIH/3T3, κερατινοκύτταρα HaCaT και THP-1 διαφοροποιημένα μακροφάγα), οι οποίες μαζί αποτελούν ένα μοντέλο του δέρματος. Με σύγχρονες μεθόδους εξετάστηκε η άμεση ή μακροπρόθεσμη τοξικότητα των νανοϋλικών στα κύτταρα, η πιθανή πρόκληση κυτταρικού θανάτου ή οξειδωτικού στρες, η επίδρασή τους στον κυτταρικό κύκλο αλλά και η αλληλεπίδρασή τους με μόρια που παίζουν σημαντικό ρόλο σε κρίσιμα σηματοδοτικά μονοπάτια της φλεγμονής. Ο ενδελεχής έλεγχος κυτταροτοξικότητας απέδειξε ότι η «πράσινη» σύνθεση του γραφενίου διατηρεί τη μοναδικότητά του περιορίζοντας παράλληλα τις αρνητικές του επιδράσεις στα κύτταρα. Επομένως, το «πράσινο» γραφένιο καθίσταται ιδανικός υποψήφιος για βιοϊατρικές εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένου της ανάπτυξης βιοαισθητήρων υψηλής ακρίβειας για την ανίχνευση της γλυκόζης μη επεμβατικά. Δεύτερος στόχος της διατριβής ήταν η διερεύνηση της αποτελεσματικότητας καινοτόμων νανογαλακτωμάτων να δράσουν ως νανοφορείς για τη διαδερμική απελευθέρωση εμπορικών υπογλυκαιμικών φαρμάκων. Σε in vivo μοντέλο αποδείχθηκε ότι η νταπαγλιφλοζίνη, ένα κοινό φάρμακο για τη διαχείριση του ΣΔ, μέσω των νανογαλακτωμάτων διαπερνά επιτυχώς το δέρμα των ζώων και ασκεί την ισχυρή υπογλυκαιμική της δράση χωρίς να προκαλεί τοξικές αντιδράσεις στον οργανισμό. Συνδυαστικά, η ανάπτυξη καινοτόμων, ασφαλών, μη επεμβατικών αισθητήρων γλυκόζης από «πράσινο» γραφένιο και η χρήση των νανογαλακτωμάτων ως νανοφορείς για τη διαδερμική απελευθέρωση των αντιδιαβητικών φαρμάκων, δύναται να οδηγήσουν στη δημιουργία ενός πλήρως αυτοματοποιημένου «κλειστού» συστήματος για τη διαχείριση του ΣΔ. Το σύστημα αυτό θα βελτιώσει σημαντικά την ποιότητα ζωής των πασχόντων από την ασθένεια, ο αριθμός των οποίων αυξάνεται με ραγδαίους ρυθμούς.