Jednym z powodów, dla których tak trudno jest podawać doustnie duże leki białkowe, jest to, że leki te nie mogą przejść przez barierę śluzową wyściełającą przewód pokarmowy. Oznacza to, że insulina i większość innych „leków biologicznych” – leków składających się z białek lub kwasów nukleinowych – muszą być wstrzykiwane lub podawane w szpitalu.
Nowa kapsułka leku opracowana w MIT może pewnego dnia zastąpić te zastrzyki. Kapsułka posiada zautomatyzowaną nasadkę, która obraca się i tuneluje przez barierę śluzową po dotarciu do jelita cienkiego, umożliwiając lekom przenoszonym przez kapsułkę przenikanie do komórek wyściełających jelito.
„Przesuwając śluz, możemy zmaksymalizować dyspersję leku w lokalnym obszarze i zwiększyć wchłanianie zarówno małych cząsteczek, jak i makrocząsteczek” – mówi Giovanni Traverso, adiunkt ds. rozwoju kariery Karl van Tassel w inżynierii mechanicznej w MIT i gastroenterolog. w Brigham and Women’s Hospital.
W badaniu, które ukazało się dzisiaj w Science Robotics, naukowcy wykazali, że mogą wykorzystać to podejście do dostarczania insuliny, a także wankomycyny, peptydu antybiotykowego, który obecnie trzeba wstrzykiwać.
Głównym autorem badania jest Shriya Srinivasan, pracownik naukowy w Instytucie Integracyjnych Badań nad Rakiem w MIT i młodszy pracownik Society of Fellows na Uniwersytecie Harvarda.
Tunelowanie przez
Od kilku lat laboratorium Traverso opracowuje strategie dostarczania leków białkowych, takich jak insulina, doustnie. Jest to trudne zadanie, ponieważ leki białkowe mają tendencję do rozkładania się w kwaśnym środowisku przewodu pokarmowego, a także mają trudności z przenikaniem przez barierę śluzową, która wyściela przewód.
Aby pokonać te przeszkody, Srinivasan wpadł na pomysł stworzenia kapsuły ochronnej, która zawiera mechanizm, który może tunelować przez śluz, tak jak maszyny drążące tunele wiercą w glebie i skale.
„Pomyślałam, że gdybyśmy mogli tunelować przez śluz, moglibyśmy umieścić lek bezpośrednio na nabłonku” – mówi. „Chodzi o to, że połkniesz tę kapsułkę, a zewnętrzna warstwa rozpuści się w przewodzie pokarmowym, odsłaniając wszystkie te cechy, które zaczynają ubijać śluz i go oczyszczać”.
Kapsułka „RoboCap”, która jest wielkości multiwitaminy, zawiera lek w małym zbiorniku na jednym końcu i posiada cechy tunelowania w swoim głównym korpusie i powierzchni. Kapsułka jest pokryta żelatyną, którą można dostroić do rozpuszczania w określonym pH.
Kiedy powłoka się rozpuszcza, zmiana pH powoduje, że mały silnik wewnątrz kapsułki RoboCap zaczyna się obracać. Ten ruch pomaga kapsułce przejść do śluzu i przemieścić go. Kapsułka jest również pokryta małymi ćwiekami, które usuwają śluz, podobnie jak szczoteczka do zębów.
Ruch wirowy pomaga również w erozji przedziału, w którym znajduje się lek, który jest stopniowo uwalniany do przewodu pokarmowego.
„To, co robi RoboCap, to przejściowo przesuwa początkową barierę śluzową, a następnie zwiększa wchłanianie poprzez maksymalizację lokalnej dyspersji leku” – mówi Traverso. „Łącząc wszystkie te elementy, naprawdę maksymalizujemy naszą zdolność do zapewnienia optymalnej sytuacji do wchłonięcia leku”.
Ulepszona dostawa
W testach na zwierzętach naukowcy zastosowali tę kapsułkę do podawania insuliny lub wankomycyny, dużego antybiotyku peptydowego, który jest stosowany w leczeniu szerokiej gamy infekcji, w tym infekcji skóry, a także infekcji dotyczących implantów ortopedycznych. Dzięki kapsułce naukowcy odkryli, że mogą dostarczyć od 20 do 40 razy więcej leku niż podobna kapsułka bez mechanizmu tunelowania.
Po uwolnieniu leku z kapsułki kapsułka sama przechodzi przez przewód pokarmowy. Po przejściu kapsułki naukowcy nie znaleźli oznak zapalenia ani podrażnienia w przewodzie pokarmowym, a także zaobserwowali, że warstwa śluzu odbudowuje się w ciągu kilku godzin po przemieszczeniu przez kapsułkę.
Innym podejściem stosowanym przez niektórych badaczy w celu zwiększenia doustnego dostarczania leków jest podawanie ich wraz z dodatkowymi lekami, które pomagają im przenikać przez tkankę jelitową. Jednak te wzmacniacze często działają tylko z niektórymi lekami. Traverso mówi, że nowe podejście zespołu MIT opiera się wyłącznie na mechanicznych zakłóceniach bariery śluzowej, może być potencjalnie zastosowane do szerszego zestawu leków.
„Niektóre chemiczne wzmacniacze działają preferencyjnie z pewnymi cząsteczkami leków” – mówi. „Korzystanie z mechanicznych metod podawania może potencjalnie umożliwić większą absorpcję większej liczby leków”.
Podczas gdy kapsułka zastosowana w tym badaniu uwolniła swój ładunek w jelicie cienkim, może być również używana do celowania w żołądek lub okrężnicę poprzez zmianę pH, w którym rozpuszcza się powłoka żelatynowa. Naukowcy planują również zbadać możliwość dostarczania innych leków białkowych, takich jak agonista receptora GLP1, który jest czasami stosowany w leczeniu cukrzycy typu 2. Kapsułki mogą być również stosowane do podawania miejscowych leków do leczenia wrzodziejącego zapalenia okrężnicy i innych stanów zapalnych poprzez maksymalizację miejscowego stężenia leków w tkance, aby pomóc w leczeniu zapalenia.
Badania zostały częściowo sfinansowane przez Narodowe Instytuty Zdrowia i Wydział Mechaniczny MIT.