Kapslen, der er på størrelse med et blåbær, indeholder en lille nål lavet af komprimeret insulin, som injiceres, når kapslen når frem til maven. I dyreforsøg viste forskerne, at de kunne levere tilstrækkeligt med insulin til at sænke blodsukkeret til niveauer, der kan sammenlignes med dem, der opnås ved injektioner, der gives gennem huden. De viste også, at apparatet kan tilpasses til at afgive andre proteinmedicin.
“Vi håber virkelig, at denne nye type kapsel en dag kan hjælpe diabetespatienter og måske alle andre, der har brug for behandlinger, som nu kun kan gives ved hjælp af injektioner eller infusioner”, siger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor, medlem af MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research og en af de ledende forfattere af undersøgelsen.
Giovanni Traverso, en assisterende professor ved Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, og en gæsteforsker i MIT’s Department of Mechanical Engineering, hvor han starter som fakultetsmedlem i 2019, er også en af de ledende forfattere af undersøgelsen. Førsteforfatteren af papiret, der vises i den 7. februar-udgave af Science, er MIT-studerende Alex Abramson. Forskningsholdet omfatter også forskere fra medicinalvirksomheden Novo Nordisk.
Selvorientering
For nogle år siden udviklede Traverso, Langer og deres kolleger en pille belagt med mange små nåle, der kunne bruges til at injicere medicin i mavesækken eller tyndtarmen. Til den nye kapsel ændrede forskerne designet til kun at have én nål, så de kunne undgå at injicere lægemidlerne ind i mavens indre, hvor de ville blive nedbrudt af mavesyrerne, før de havde nogen virkning.
Nålens spids er lavet af næsten 100 procent komprimeret, frysetørret insulin ved hjælp af den samme proces, der bruges til at danne tabletter af medicin. Nålens skaft, som ikke trænger ind i mavevæggen, er fremstillet af et andet biologisk nedbrydeligt materiale.
I kapslen er nålen fastgjort til en komprimeret fjeder, der holdes på plads af en skive af sukker. Når kapslen sluges, opløser vandet i maven sukkerdisken, hvorved fjederen frigøres og nålen injiceres ind i maveskindet.
Maveskindet har ingen smertereceptorer, så forskerne mener, at patienterne ikke vil kunne mærke injektionen. For at sikre, at lægemidlet bliver injiceret i maveskindet, har forskerne designet deres system, så uanset hvordan kapslen lander i maven, kan den orientere sig selv, så nålen er i kontakt med maveskindet.
“Så snart man tager den, vil man have systemet til at rette sig selv op, så man kan sikre kontakt med vævet,” siger Traverso.
Forskerne lod sig inspirere til den selvorienterende funktion af en skildpadde, der er kendt som leopardskildpadden. Denne skildpadde, som findes i Afrika, har en skal med en høj, stejl kuppel, der gør det muligt for den at rette sig selv op, hvis den ruller på ryggen. Forskerne brugte computermodellering til at finde frem til en variant af denne form til deres kapsel, som gør det muligt for den at reorientere sig selv i mavens dynamiske miljø.
“Det vigtige er, at vi har nålen i kontakt med vævet, når den injiceres,” siger Abramson. “Hvis en person bevæger sig eller maven knurrer, vil apparatet heller ikke bevæge sig fra sin foretrukne orientering.”
Når spidsen af nålen er injiceret i mavevæggen, opløses insulinet med en hastighed, der kan styres af forskerne, mens kapslen tilberedes. I denne undersøgelse tog det ca. en time, før al insulinen var fuldt ud frigivet i blodbanen.
Enklere for patienterne
I forsøg på svin viste forskerne, at de med succes kunne afgive op til 300 mikrogram insulin. Senest har de været i stand til at øge dosis til 5 milligram, hvilket svarer til den mængde, som en patient med type 1-diabetes skal injicere.
Når kapslen frigiver sit indhold, kan den passere ufarligt gennem fordøjelsessystemet. Forskerne fandt ingen bivirkninger ved kapslen, som er fremstillet af bionedbrydelig polymer og komponenter af rustfrit stål.
Maria José Alonso, professor i biofarmaceutik og farmaceutisk teknologi ved universitetet i Santiago de Compostela i Spanien, beskriver den nye kapsel som en “radikalt ny teknologi”, der kan være til gavn for mange patienter.
“Vi taler ikke om trinvise forbedringer af insulinoptagelsen, som er det, de fleste forskere på området har gjort indtil nu. Dette er langt den mest realistiske og virkningsfulde gennembrudsteknologi, der hidtil er blevet afsløret for oral peptidtilførsel,” siger Alonso, som ikke var involveret i forskningen.
MIT-holdet fortsætter nu samarbejdet med Novo Nordisk om at videreudvikle teknologien og optimere fremstillingsprocessen for kapslerne. De mener, at denne type lægemiddeltilførsel kunne være nyttig for ethvert proteinmedicin, der normalt skal injiceres, f.eks. immunosuppressiva, der anvendes til behandling af reumatoid arthritis eller inflammatoriske tarmsygdomme. Det kan også fungere for nukleinsyrer som DNA og RNA.
“Vores motivation er at gøre det lettere for patienterne at tage medicin, især medicin, der kræver en indsprøjtning”, siger Traverso. “Den klassiske er insulin, men der er mange andre.”
Forskningen blev finansieret af Novo Nordisk, National Institutes of Health, et National Science Foundation Graduate Research Fellowship, Brigham and Women’s Hospital, et Viking Olaf Bjork Research Scholarship og MIT Undergraduate Research Opportunities Program.
Andre forfattere til artiklen er Ester Caffarel-Salvador, Minsoo Khang, David Dellal, David Silverstein, Yuan Gao, Morten Revsgaard Frederiksen, Andreas Vegge og Frantisek Hubalek, Jorrit Water, Anders Friderichsen, Johannes Fels, Rikke Kaae Kirk, Cody Cleveland, Joy Collins, Siddartha Tamang, Alison Hayward, Tomas Landh, Stephen Buckley, Niclas Roxhed, og Ulrik Rahbek.