Około wielkości borówki, kapsułka zawiera małą igłę wykonaną ze sprasowanej insuliny, która jest wstrzykiwana po tym, jak kapsułka dotrze do żołądka. W testach na zwierzętach naukowcy wykazali, że są w stanie dostarczyć wystarczającą ilość insuliny, aby obniżyć poziom cukru we krwi do poziomu porównywalnego z zastrzykami podawanymi przez skórę. Wykazali również, że urządzenie może być przystosowane do dostarczania innych leków białkowych.
„Jesteśmy naprawdę pełni nadziei, że ten nowy rodzaj kapsułki może kiedyś pomóc pacjentom z cukrzycą i być może każdemu, kto wymaga terapii, które teraz mogą być podawane tylko przez zastrzyk lub infuzję” – mówi Robert Langer, profesor David H. Koch Institute Professor, członek MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research, oraz jeden ze starszych autorów badania.
Giovanni Traverso, asystent profesora w Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, oraz wizytujący naukowiec w MIT’s Department of Mechanical Engineering, gdzie rozpoczyna pracę jako członek wydziału w 2019 roku, jest również starszym autorem badania. Pierwszym autorem pracy, która ukazała się w numerze Science z 7 lutego, jest absolwent MIT, Alex Abramson. W skład zespołu badawczego wchodzą również naukowcy z firmy farmaceutycznej Novo Nordisk.
Zorientowanie na siebie
Kilka lat temu Traverso, Langer i ich koledzy opracowali pigułkę pokrytą wieloma maleńkimi igłami, która mogła być używana do wstrzykiwania leków do wyściółki żołądka lub jelita cienkiego. Dla nowej kapsułki, naukowcy zmienili projekt, aby mieć tylko jedną igłę, co pozwala im uniknąć wstrzykiwania leków do wnętrza żołądka, gdzie byłyby one rozbite przez kwasy żołądkowe przed podjęciem jakichkolwiek effect.
Czubek igły jest wykonana z prawie 100 procent skompresowany, liofilizowane insuliny, przy użyciu tego samego procesu stosowane do tworzenia tabletek leku. Trzon igły, który nie wchodzi w ścianę żołądka, jest wykonany z innego biodegradowalnego materiału.
Wewnątrz kapsułki igła jest przymocowana do ściśniętej sprężyny, która jest utrzymywana w miejscu przez dysk wykonany z cukru. Kiedy kapsułka zostaje połknięta, woda w żołądku rozpuszcza dysk cukrowy, uwalniając sprężynę i wstrzykując igłę w ścianę żołądka.
Ściana żołądka nie ma receptorów bólu, więc naukowcy uważają, że pacjenci nie będą w stanie odczuć wstrzyknięcia. Aby zapewnić, że lek jest wstrzykiwany w ścianę żołądka, naukowcy zaprojektowali swój system tak, że bez względu na to, jak kapsułka ląduje w żołądku, może zorientować się tak, że igła jest w kontakcie z wyściółką żołądka.
„Jak tylko go weźmiesz, chcesz, aby system sam się wyprostował, aby zapewnić kontakt z tkanką”, mówi Traverso.
Badacze czerpali inspirację dla funkcji samoorientacji z żółwia znanego jako żółw lamparci. Ten żółw, który znajduje się w Afryce, ma skorupę z wysokim, stromym kopuły, co pozwala mu prawo się, jeśli toczy się na plecach. Naukowcy wykorzystali modelowanie komputerowe, aby wymyślić wariant tego kształtu dla ich kapsuły, która pozwala mu się przeorientować nawet w dynamicznym środowisku żołądka.
„Ważne jest to, że mamy igłę w kontakcie z tkanką, gdy jest wstrzykiwany,” Abramson mówi. „Ponadto, jeśli osoba będzie się poruszać lub żołądek będzie burczeć, urządzenie nie będzie się poruszać z preferowanej orientacji.”
Po wstrzyknięciu końcówki igły w ścianę żołądka, insulina rozpuszcza się w tempie, które może być kontrolowane przez badaczy w miarę przygotowywania kapsułki. W tym badaniu potrzeba było około godziny, aby cała insulina została w pełni uwolniona do krwiobiegu.
Łatwiejsze dla pacjentów
W testach na świniach badacze wykazali, że mogą z powodzeniem dostarczyć do 300 mikrogramów insuliny. Ostatnio udało im się zwiększyć dawkę do 5 miligramów, co jest porównywalne z ilością, którą musiałby wstrzykiwać pacjent z cukrzycą typu 1.
Po tym, jak kapsułka uwolni swoją zawartość, może nieszkodliwie przejść przez układ pokarmowy. Badacze nie stwierdzili żadnych negatywnych skutków kapsułki, która jest wykonana z biodegradowalnego polimeru i elementów ze stali nierdzewnej.
Maria José Alonso, profesor biofarmacji i technologii farmaceutycznej na Uniwersytecie Santiago de Compostela w Hiszpanii, opisuje nową kapsułkę jako „radykalnie nową technologię”, która mogłaby przynieść korzyści wielu pacjentom.
„Nie mówimy o przyrostowej poprawie wchłaniania insuliny, co do tej pory robiło większość badaczy w tej dziedzinie. Jest to zdecydowanie najbardziej realistyczna i wpływowa przełomowa technologia ujawniona do tej pory w zakresie doustnego dostarczania peptydów” – mówi Alonso, który nie brał udziału w badaniach.
Zespół MIT kontynuuje obecnie współpracę z Novo Nordisk w celu dalszego rozwoju technologii i optymalizacji procesu produkcji kapsułek. Uważają oni, że ten rodzaj dostarczania leków może być przydatny dla każdego leku białkowego, który normalnie musi być wstrzykiwany, takiego jak leki immunosupresyjne stosowane w leczeniu reumatoidalnego zapalenia stawów lub zapalnej choroby jelit. Może to również działać w przypadku kwasów nukleinowych, takich jak DNA i RNA.
„Naszą motywacją jest ułatwienie pacjentom przyjmowania leków, szczególnie tych, które wymagają wstrzyknięcia” – mówi Traverso. „Klasycznym z nich jest insulina, ale jest wiele innych.”
Badania zostały sfinansowane przez Novo Nordisk, National Institutes of Health, National Science Foundation Graduate Research Fellowship, Brigham and Women’s Hospital, Viking Olaf Bjork Research Scholarship oraz MIT Undergraduate Research Opportunities Program.
Inni autorzy pracy to 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, and Ulrik Rahbek.