Die etwa heidelbeergroße Kapsel enthält eine kleine Nadel aus komprimiertem Insulin, das injiziert wird, sobald die Kapsel den Magen erreicht. In Tierversuchen haben die Forscher gezeigt, dass sie genügend Insulin abgeben können, um den Blutzucker auf ein Niveau zu senken, das mit dem einer Injektion durch die Haut vergleichbar ist. Sie haben auch gezeigt, dass das Gerät für die Verabreichung anderer Proteinmedikamente angepasst werden kann.
„Wir sind sehr zuversichtlich, dass diese neue Art von Kapsel eines Tages Diabetikern und vielleicht auch anderen Patienten helfen könnte, die Therapien benötigen, die derzeit nur durch Injektionen oder Infusionen verabreicht werden können“, sagt Robert Langer, Professor am David H. Robert Langer, Professor am David H. Koch Institute, Mitglied des Koch Institute for Integrative Cancer Research am MIT und einer der Hauptautoren der Studie.
Giovanni Traverso, Assistenzprofessor am Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, und Gastwissenschaftler am MIT Department of Mechanical Engineering, wo er ab 2019 als Fakultätsmitglied tätig ist, ist ebenfalls einer der Hauptautoren der Studie. Der Erstautor der Studie, die in der Ausgabe vom 7. Februar in Science erscheint, ist der MIT-Absolvent Alex Abramson. Zum Forschungsteam gehören auch Wissenschaftler des Pharmaunternehmens Novo Nordisk.
Selbstorientierung
Vor einigen Jahren entwickelten Traverso, Langer und ihre Kollegen eine mit vielen winzigen Nadeln beschichtete Pille, mit der Medikamente in die Magen- oder Dünndarmschleimhaut injiziert werden können. Für die neue Kapsel änderten die Forscher das Design so, dass sie nur noch eine Nadel haben, wodurch sie vermeiden konnten, Medikamente in das Innere des Magens zu injizieren, wo sie durch die Magensäure zersetzt würden, bevor sie ihre Wirkung entfalten könnten.
Die Spitze der Nadel besteht zu fast 100 Prozent aus komprimiertem, gefriergetrocknetem Insulin, wobei dasselbe Verfahren wie bei der Herstellung von Medikamententabletten angewendet wird. Der Schaft der Nadel, der nicht in die Magenwand eindringt, besteht aus einem anderen biologisch abbaubaren Material.
In der Kapsel ist die Nadel an einer komprimierten Feder befestigt, die von einer Scheibe aus Zucker gehalten wird. Wenn die Kapsel geschluckt wird, löst das Wasser im Magen die Zuckerscheibe auf, gibt die Feder frei und injiziert die Nadel in die Magenwand.
Die Magenwand hat keine Schmerzrezeptoren, so dass die Forscher davon ausgehen, dass die Patienten die Injektion nicht spüren würden. Um sicherzustellen, dass das Medikament in die Magenwand injiziert wird, haben die Forscher ihr System so konzipiert, dass sich die Kapsel unabhängig davon, wie sie im Magen landet, so ausrichten kann, dass die Nadel mit der Magenschleimhaut in Kontakt kommt.
„Sobald man sie einnimmt, soll sich das System selbst aufrichten, damit der Kontakt mit dem Gewebe gewährleistet ist“, sagt Traverso.
Die Forscher ließen sich bei der Selbstausrichtung von einer Schildkröte inspirieren, der Leopardenschildkröte. Diese in Afrika beheimatete Schildkröte hat einen Panzer mit einer hohen, steilen Kuppel, die es ihr ermöglicht, sich aufzurichten, wenn sie sich auf den Rücken rollt. Die Forscher haben mit Hilfe von Computermodellen eine Variante dieser Form für ihre Kapsel entwickelt, die es ihr ermöglicht, sich auch in der dynamischen Umgebung des Magens neu auszurichten.
„Wichtig ist, dass die Nadel bei der Injektion mit dem Gewebe in Kontakt kommt“, sagt Abramson. „
Wenn die Nadelspitze in die Magenwand injiziert wird, löst sich das Insulin mit einer Geschwindigkeit auf, die von den Forschern bei der Vorbereitung der Kapsel kontrolliert werden kann. In dieser Studie dauerte es etwa eine Stunde, bis das gesamte Insulin vollständig in den Blutkreislauf freigesetzt war.
Einfacher für die Patienten
In Tests an Schweinen haben die Forscher gezeigt, dass sie erfolgreich bis zu 300 Mikrogramm Insulin verabreichen können. In jüngster Zeit konnten sie die Dosis auf 5 Milligramm erhöhen, was der Menge entspricht, die ein Patient mit Typ-1-Diabetes spritzen müsste.
Nachdem die Kapsel ihren Inhalt freigesetzt hat, kann sie den Verdauungstrakt unschädlich passieren. Die Forscher stellten keine unerwünschten Wirkungen der Kapsel fest, die aus biologisch abbaubarem Polymer und Komponenten aus rostfreiem Stahl besteht.
Maria José Alonso, Professorin für Biopharmazie und pharmazeutische Technologie an der Universität von Santiago de Compostela in Spanien, bezeichnet die neue Kapsel als „radikal neue Technologie“, die vielen Patienten zugute kommen könnte.
„Wir sprechen hier nicht von einer schrittweisen Verbesserung der Insulinabsorption, wie es die meisten Forscher auf diesem Gebiet bisher getan haben. Dies ist bei weitem die realistischste und wirkungsvollste bahnbrechende Technologie, die bisher für die orale Verabreichung von Peptiden veröffentlicht wurde“, sagt Alonso, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Das MIT-Team arbeitet nun weiter mit Novo Nordisk zusammen, um die Technologie weiterzuentwickeln und den Herstellungsprozess für die Kapseln zu optimieren. Sie glauben, dass diese Art der Medikamentenverabreichung für jedes Proteinmedikament nützlich sein könnte, das normalerweise injiziert werden muss, wie z. B. Immunsuppressiva zur Behandlung von rheumatoider Arthritis oder entzündlichen Darmerkrankungen. Es könnte auch für Nukleinsäuren wie DNA und RNA funktionieren.
„Unsere Motivation ist es, den Patienten die Einnahme von Medikamenten zu erleichtern, insbesondere von Medikamenten, die eine Injektion erfordern“, sagt Traverso. „
Die Forschung wurde von Novo Nordisk, den National Institutes of Health, einem National Science Foundation Graduate Research Fellowship, dem Brigham and Women’s Hospital, einem Viking Olaf Bjork Research Scholarship und dem MIT Undergraduate Research Opportunities Program finanziert.
Weitere Autoren der Arbeit sind Ester Caffarel-Salvador, Minsoo Khang, David Dellal, David Silverstein, Yuan Gao, Morten Revsgaard Frederiksen, Andreas Vegge, 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, und Ulrik Rahbek.