Suuruusluokaltaan noin mustikan kokoinen kapseli sisältää pienen neulan, joka on valmistettu puristetusta insuliinista, joka ruiskutetaan kapselin saavuttua vatsaan. Eläimillä tehdyissä testeissä tutkijat osoittivat, että ne pystyvät toimittamaan riittävästi insuliinia alentamaan verensokeria tasolle, joka on verrattavissa ihon läpi annettujen injektioiden tuottamaan tasoon. He osoittivat myös, että laite voidaan mukauttaa muiden proteiinilääkkeiden annosteluun.
”Olemme todella toiveikkaita siitä, että tämä uudenlainen kapseli voisi jonain päivänä auttaa diabeetikkoja ja ehkä kaikkia muita, jotka tarvitsevat hoitoja, joita nyt voidaan antaa vain injektiona tai infuusiona”, sanoo Robert Langer, David H. Koch-instituutin professori, MIT:n Koch-instituutin integratiivisen syöpätutkimuksen jäsen ja yksi tutkimuksen vanhemmista kirjoittajista.
Giovanni Traverso, apulaisprofessori Brigham and Women’s Hospitalissa Harvardin lääketieteellisessä tiedekunnassa ja vieraileva tutkija MIT:n konetekniikan laitoksella, jossa hän aloittaa tiedekunnan jäsenenä vuonna 2019, on myös tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. Science-lehden 7. helmikuuta ilmestyvässä numerossa julkaistun artikkelin ensimmäinen kirjoittaja on MIT:n jatko-opiskelija Alex Abramson. Tutkimusryhmään kuuluu myös tutkijoita lääkeyhtiö Novo Nordiskista.
Itsesuuntautuminen
Muutama vuosi sitten Traverso, Langer ja heidän kollegansa kehittivät pillerin, joka on päällystetty monilla pienillä neuloilla, joiden avulla lääkkeitä voitaisiin ruiskuttaa mahalaukun tai ohutsuolen limakalvoon. Uutta kapselia varten tutkijat muuttivat suunnittelua siten, että siinä oli vain yksi neula, jolloin he pystyivät välttämään lääkkeiden ruiskuttamisen mahalaukun sisälle, jossa mahahapot hajottaisivat ne ennen kuin ne ehtisivät vaikuttaa.
Neulan kärki on lähes sataprosenttisesti pakattua, pakastekuivattua insuliinia, käyttäen samaa prosessia, jota käytetään lääketablettien muodostamiseen. Neulan varsi, joka ei pääse mahalaukun seinämään, on valmistettu toisesta biohajoavasta materiaalista.
Kapselin sisällä neula on kiinnitetty puristettuun jouseen, jota sokerista valmistettu levy pitää paikallaan. Kun kapseli niellään, vatsassa oleva vesi liuottaa sokerilevyn, jolloin jousi vapautuu ja neula pistetään vatsan seinämään.
Vatsan seinämässä ei ole kipureseptoreita, joten tutkijat uskovat, etteivät potilaat tuntisi pistosta. Varmistaakseen, että lääke ruiskutetaan vatsan seinämään, tutkijat suunnittelivat järjestelmänsä niin, että riippumatta siitä, miten kapseli laskeutuu vatsaan, se voi suunnata itsensä niin, että neula on kosketuksissa vatsan limakalvoon.
”Heti kun otat lääkkeen, haluat, että järjestelmä oikaisee itsensä niin, että varmistat kosketuksen kudokseen”, Traverso sanoo.
Tutkijat saivat inspiraationsa itsesuuntautumisominaisuutta varten leopardikilpikonnana tunnetulta kilpikonnalta. Tällä Afrikasta löytyvällä kilpikonnalla on kuori, jossa on korkea, jyrkkä kupoli, jonka avulla se voi oikaista itsensä, jos se kaatuu selälleen. Tutkijat käyttivät tietokonemallinnusta keksiäkseen kapseliinsa muunnelman tästä muodosta, jonka ansiosta se pystyy suuntautumaan uudelleen myös mahalaukun dynaamisessa ympäristössä.
”Tärkeää on, että neula on kosketuksissa kudokseen, kun se pistetään”, Abramson sanoo. ”Lisäksi, jos henkilö liikkuu tai vatsa murisee, laite ei siirry haluamastaan asennosta.”
Kun neulan kärki on pistetty vatsan seinämään, insuliini liukenee nopeudella, jota tutkijat voivat kontrolloida kapselin valmistuksen aikana. Tässä tutkimuksessa kesti noin tunnin, ennen kuin kaikki insuliini oli vapautunut kokonaan verenkiertoon.
Potilaille helpompaa
Sioilla tehdyissä testeissä tutkijat osoittivat, että he pystyivät onnistuneesti toimittamaan jopa 300 mikrogrammaa insuliinia. Viime aikoina he ovat pystyneet nostamaan annoksen 5 milligrammaan, joka on verrattavissa siihen määrään, jonka tyypin 1 diabetesta sairastava potilas joutuisi pistämään.
Kapselin vapautettua sisältönsä se voi kulkea vaarattomasti ruoansulatuskanavan läpi. Tutkijat eivät havainneet haittavaikutuksia kapselista, joka on valmistettu biohajoavasta polymeeristä ja ruostumattomasta teräksestä valmistetuista komponenteista.
Maria José Alonso, biofarmasian ja farmaseuttisen teknologian professori Santiago de Compostelan yliopistossa Espanjassa, kuvailee uutta kapselia ”radikaalisti uudeksi teknologiaksi”, josta voisi olla hyötyä monille potilaille.
”Emme puhu insuliinin imeytymisen inkrementaalisista parannuksista, joita suurin osa alan tutkijoista on tähän mennessä tehnyt. Tämä on ylivoimaisesti realistisin ja vaikuttavin läpimurtoteknologia, joka on tähän mennessä julkistettu peptidien oraaliseen annosteluun”, sanoo Alonso, joka ei ollut mukana tutkimuksessa.
MIT:n tutkimusryhmä jatkaa nyt yhteistyötä Novo Nordiskin kanssa kehittääkseen teknologiaa edelleen ja optimoidakseen kapseleiden valmistusprosessin. He uskovat, että tämäntyyppinen lääkkeenjakelu voisi olla hyödyllistä mille tahansa proteiinilääkkeelle, joka normaalisti joudutaan pistämään, kuten nivelreuman tai tulehduksellisen suolistosairauden hoitoon käytettäville immunosuppressanteille. Se voi toimia myös nukleiinihapoille, kuten DNA:lle ja RNA:lle.
”Motivaatiomme on helpottaa potilaiden lääkkeiden ottamista, erityisesti injektiota vaativien lääkkeiden”, Traverso sanoo. ”Klassinen niistä on insuliini, mutta on monia muitakin.”
Tutkimusta rahoittivat Novo Nordisk, National Institutes of Health, National Science Foundation Graduate Research Fellowship, Brigham and Women’s Hospital, Viking Olaf Bjork Research Scholarship ja MIT:n Undergraduate Research Opportunities Program.
Työn muita kirjoittajia ovat 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 ja Ulrik Rahbek.