Bijna zo groot als een bosbes bevat de capsule een kleine naald van samengeperste insuline, die wordt geïnjecteerd nadat de capsule de maag heeft bereikt. In dierproeven toonden de onderzoekers aan dat ze genoeg insuline konden toedienen om de bloedsuikerspiegel te verlagen tot niveaus die vergelijkbaar zijn met die van injecties die via de huid worden toegediend. Ze toonden ook aan dat het apparaat kan worden aangepast om andere eiwitgeneesmiddelen af te geven.
“We zijn echt hoopvol dat dit nieuwe type capsule op een dag diabetespatiënten kan helpen en misschien iedereen die therapieën nodig heeft die nu alleen via injectie of infuus kunnen worden gegeven,” zegt Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor, een lid van MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research, en een van de senior auteurs van de studie.
Giovanni Traverso, een assistent-professor aan het Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, en een gastwetenschapper in MIT’s Department of Mechanical Engineering, waar hij in 2019 als faculteitslid begint, is ook een senior auteur van de studie. De eerste auteur van het artikel, dat verschijnt in het Science-nummer van 7 februari, is MIT-student Alex Abramson. Het onderzoeksteam omvat ook wetenschappers van het farmaceutische bedrijf Novo Nordisk.
Zelforiëntatie
Een aantal jaren geleden ontwikkelden Traverso, Langer en hun collega’s een pil omhuld met vele kleine naalden die konden worden gebruikt om geneesmiddelen in de bekleding van de maag of de dunne darm te injecteren. Voor de nieuwe capsule veranderden de onderzoekers het ontwerp om slechts één naald te hebben, waardoor ze konden voorkomen dat medicijnen in het inwendige van de maag zouden worden geïnjecteerd, waar ze zouden worden afgebroken door maagzuur voordat ze enig effect zouden hebben.
De punt van de naald is gemaakt van bijna 100 procent samengeperste, gevriesdroogde insuline, met behulp van hetzelfde proces dat wordt gebruikt om tabletten met medicijnen te vormen. De schacht van de naald, die niet in de maagwand komt, is gemaakt van een ander biologisch afbreekbaar materiaal.
In de capsule is de naald bevestigd aan een samengeperste veer die op zijn plaats wordt gehouden door een schijf gemaakt van suiker. Wanneer de capsule wordt ingeslikt, lost water in de maag de suikerschijf op, waardoor de veer vrijkomt en de naald in de maagwand wordt geïnjecteerd.
De maagwand heeft geen pijnreceptoren, dus de onderzoekers denken dat patiënten de injectie niet zouden kunnen voelen. Om ervoor te zorgen dat het medicijn in de maagwand wordt geïnjecteerd, ontwierpen de onderzoekers hun systeem zo dat, ongeacht hoe de capsule in de maag landt, het zichzelf kan oriënteren zodat de naald in contact is met de bekleding van de maag.
“Zodra je het inneemt, wil je dat het systeem zichzelf opricht, zodat je contact met het weefsel kunt verzekeren,” zegt Traverso.
De onderzoekers haalden hun inspiratie voor de zelforiëntatie-eigenschap uit een schildpad die bekend staat als de luipaardschildpad. Deze schildpad, die in Afrika voorkomt, heeft een schild met een hoge, steile koepel, waardoor hij zich kan oprichten als hij op zijn rug rolt. De onderzoekers gebruikten computermodellering om een variant van deze vorm voor hun capsule te bedenken, waardoor het zichzelf kan heroriënteren, zelfs in de dynamische omgeving van de maag.
“Wat belangrijk is, is dat we de naald in contact hebben met het weefsel wanneer het wordt geïnjecteerd,” zegt Abramson. “Ook als een persoon zou bewegen of de maag zou grommen, zou het apparaat niet van zijn voorkeursoriëntatie verschuiven.”
Zodra de punt van de naald in de maagwand is geïnjecteerd, lost de insuline op met een snelheid die door de onderzoekers kan worden gecontroleerd terwijl de capsule wordt geprepareerd. In deze studie duurde het ongeveer een uur voordat alle insuline volledig in de bloedbaan was vrijgegeven.
Makkelijker voor patiënten
In tests met varkens toonden de onderzoekers aan dat ze met succes tot 300 microgram insuline konden toedienen. Meer recent hebben ze de dosis kunnen verhogen tot 5 milligram, wat vergelijkbaar is met de hoeveelheid die een patiënt met diabetes type 1 zou moeten injecteren.
Nadat de capsule zijn inhoud afgeeft, kan deze onschadelijk door het spijsverteringsstelsel passeren. De onderzoekers vonden geen nadelige effecten van de capsule, die is gemaakt van biologisch afbreekbaar polymeer en roestvrijstalen componenten.
Maria José Alonso, een hoogleraar biofarmaceutica en farmaceutische technologie aan de Universiteit van Santiago de Compostela in Spanje, beschrijft de nieuwe capsule als een “radicaal nieuwe technologie” die veel patiënten ten goede zou kunnen komen.
“We hebben het niet over incrementele verbeteringen in de opname van insuline, wat is wat de meeste onderzoekers op dit gebied tot nu toe hebben gedaan. Dit is veruit de meest realistische en impactvolle doorbraaktechnologie die tot nu toe is onthuld voor orale peptidetoediening,” zegt Alonso, die niet bij het onderzoek betrokken was.
Het MIT-team werkt nu verder met Novo Nordisk om de technologie verder te ontwikkelen en het fabricageproces voor de capsules te optimaliseren. Zij geloven dat dit type medicijnafgifte nuttig kan zijn voor elk eiwitmedicijn dat normaal gesproken moet worden geïnjecteerd, zoals immunosuppressiva die worden gebruikt voor de behandeling van reumatoïde artritis of inflammatoire darmziekten. Het zou ook kunnen werken voor nucleïnezuren zoals DNA en RNA.
“Onze motivatie is om het voor patiënten gemakkelijker te maken om medicijnen in te nemen, vooral medicijnen die een injectie vereisen,” zegt Traverso. “De klassieke is insuline, maar er zijn vele anderen.”
Het onderzoek werd gefinancierd door Novo Nordisk, de National Institutes of Health, een National Science Foundation Graduate Research Fellowship, Brigham and Women’s Hospital, een Viking Olaf Bjork Research Scholarship, en het MIT Undergraduate Research Opportunities Program.
Andere auteurs van het artikel zijn 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, en Ulrik Rahbek.