Kapseln, som är ungefär lika stor som ett blåbär, innehåller en liten nål av komprimerat insulin som injiceras när kapseln når magen. I djurförsök visade forskarna att de kunde leverera tillräckligt med insulin för att sänka blodsockret till nivåer som är jämförbara med dem som produceras av injektioner som ges via huden. De visade också att anordningen kan anpassas för att leverera andra proteinläkemedel.
”Vi är verkligen hoppfulla om att denna nya typ av kapsel en dag kan hjälpa diabetespatienter och kanske alla som behöver behandlingar som nu bara kan ges genom injektion eller infusion”, säger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor, medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och en av studiens huvudförfattare.
Giovanni Traverso, biträdande professor vid Brigham and Women’s Hospital, Harvard Medical School, och gästforskare vid MIT:s avdelning för maskinteknik, där han börjar som fakultetsmedlem 2019, är också en av studiens huvudförfattare. Den första författaren till artikeln, som publiceras i Science den 7 februari, är MIT:s doktorand Alex Abramson. I forskargruppen ingår även forskare från läkemedelsföretaget Novo Nordisk.
Självorientering
För några år sedan utvecklade Traverso, Langer och deras kollegor en tablett belagd med många små nålar som skulle kunna användas för att injicera läkemedel i slemhinnan i magen eller tunntarmen. För den nya kapseln ändrade forskarna konstruktionen så att den bara har en nål, vilket gör att de kan undvika att injicera läkemedel i magens inre, där de skulle brytas ner av magsyror innan de får någon effekt.
Nålens spets består till nästan 100 procent av komprimerat, frystorkat insulin, med hjälp av samma process som används för att bilda tabletter av läkemedel. Nålens skaft, som inte går in i magsäcksväggen, är tillverkat av ett annat biologiskt nedbrytbart material.
Inom kapseln är nålen fäst vid en komprimerad fjäder som hålls på plats av en skiva av socker. När kapseln sväljs löser vattnet i magsäcken upp sockerskivan, vilket frigör fjädern och injicerar nålen i magsäcksväggen.
Magsäcksväggen har inga smärtreceptorer, så forskarna tror att patienterna inte skulle kunna känna av injektionen. För att säkerställa att läkemedlet injiceras i magsäcksväggen utformade forskarna sitt system så att oavsett hur kapseln landar i magsäcken kan den orientera sig så att nålen kommer i kontakt med magsäckens slemhinna.
”Så snart du tar den vill du att systemet självrättar sig självt så att du kan säkerställa kontakten med vävnaden”, säger Traverso.
Forskarna hämtade inspirationen till funktionen för självorientering från en sköldpadda som kallas leopardsköldpadda. Denna sköldpadda, som finns i Afrika, har ett skal med en hög, brant kupol, vilket gör att den kan räta upp sig själv om den rullar på ryggen. Forskarna använde datormodellering för att komma fram till en variant av denna form för sin kapsel, vilket gör att den kan orientera sig om även i magens dynamiska miljö.
”Det viktiga är att vi har nålen i kontakt med vävnaden när den injiceras”, säger Abramson. ”Dessutom, om en person skulle röra sig eller om magen skulle knorra, skulle anordningen inte flytta sig från sin föredragna orientering.”
När nålens spets injiceras i magsäcksväggen löses insulinet upp i en takt som kan kontrolleras av forskarna när kapseln förbereds. I den här studien tog det ungefär en timme innan allt insulin var helt frigjort i blodomloppet.
Enklare för patienterna
I tester på grisar visade forskarna att de framgångsrikt kunde leverera upp till 300 mikrogram insulin. På senare tid har de kunnat öka dosen till 5 milligram, vilket är jämförbart med den mängd som en patient med typ 1-diabetes skulle behöva injicera.
När kapseln släpper ut sitt innehåll kan den passera ofarligt genom matsmältningssystemet. Forskarna fann inga negativa effekter av kapseln, som är tillverkad av biologiskt nedbrytbar polymer och komponenter av rostfritt stål.
Maria José Alonso, professor i biofarmaci och farmaceutisk teknik vid universitetet i Santiago de Compostela i Spanien, beskriver den nya kapseln som en ”radikalt ny teknik” som skulle kunna komma många patienter till godo.
”Vi pratar inte om inkrementella förbättringar av insulinabsorptionen, vilket är vad de flesta forskare på området har gjort hittills. Det här är den överlägset mest realistiska och effektfulla genombrottstekniken som hittills avslöjats för oral peptidtillförsel”, säger Alonso, som inte var involverad i forskningen.
MIT-teamet fortsätter nu att samarbeta med Novo Nordisk för att vidareutveckla tekniken och optimera tillverkningsprocessen för kapslarna. De tror att denna typ av läkemedelsleverans skulle kunna vara användbar för alla proteinläkemedel som normalt måste injiceras, till exempel immunosuppressiva läkemedel som används för att behandla reumatoid artrit eller inflammatoriska tarmsjukdomar. Det kan också fungera för nukleinsyror som DNA och RNA.
”Vår motivation är att göra det lättare för patienter att ta mediciner, särskilt mediciner som kräver en injektion”, säger Traverso. ”Den klassiska är insulin, men det finns många andra.”
Forskningen finansierades av Novo Nordisk, National Institutes of Health, ett National Science Foundation Graduate Research Fellowship, Brigham and Women’s Hospital, ett Viking Olaf Bjork Research Scholarship och MIT Undergraduate Research Opportunities Program.
Andra författare till artikeln är 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 och Ulrik Rahbek.