Inspiriert von der Art und Weise, wie Tintenfische Jets nutzen, um sich durch den Ozean zu bewegen und Tintenwolken zu verschießen, haben Forscher am MIT und Novo Nordisk eine einnehmbare Kapsel entwickelt, die einen Schuss Medikamente direkt in die Magenschleimhaut oder andere Organe des Verdauungstrakts abgibt . .
Diese Kapsel könnte eine alternative Möglichkeit bieten, Medikamente zu verabreichen, die normalerweise injiziert werden müssen, wie etwa Insulin und andere große Proteine, einschließlich Antikörper. Diese nadelfreie Strategie könnte auch zur Abgabe von RNA genutzt werden, entweder als Impfstoff oder als therapeutisches Molekül zur Behandlung von Diabetes, Fettleibigkeit und anderen Stoffwechselstörungen.
Eine der seit langem bestehenden Herausforderungen, mit denen wir uns befassen, ist die Entwicklung von Systemen, die die orale Verabreichung von Makromolekülen ermöglichen, für deren Verabreichung normalerweise eine Injektion erforderlich ist. Diese Arbeit stellt einen der nächsten großen Fortschritte in dieser Entwicklung dar. »
Giovanni Traverso, Direktor des Translational Engineering Laboratory und außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital, assoziiertes Mitglied des Broad Institute und leitender Autor der Studie
Traverso und seine MIT-Studenten entwickelten die neue Kapsel in Zusammenarbeit mit Forschern des Brigham and Women’s Hospital und Novo Nordisk. Graham Arrick SM ’20 und die Novo Nordisk-Wissenschaftler Drago Sticker und Aghiad Ghazal sind Hauptautoren des Artikels, der heute in erscheint Natur.
Inspiriert von Kopffüßern
Medikamente aus großen Proteinen oder RNA können im Allgemeinen nicht oral eingenommen werden, da sie im Verdauungstrakt leicht abgebaut werden. Seit mehreren Jahren arbeitet Traversos Labor an Möglichkeiten, diese Medikamente oral zu verabreichen, indem man sie in kleine Geräte einkapselt, die sie vor dem Abbau schützen, und sie dann direkt in die Auskleidung des Verdauungstrakts injiziert.
Die meisten dieser Kapseln verwenden eine kleine Nadel oder einen Satz Mikronadeln, um Medikamente zu verabreichen, sobald das Gerät in den Verdauungstrakt gelangt. In der neuen Studie wollten Traverso und Kollegen Möglichkeiten erkunden, diese Moleküle ohne jegliche Nadel zu verabreichen, was das Risiko einer Gewebeschädigung verringern könnte.
Um dies zu erreichen, ließen sie sich von Kopffüßern inspirieren. Tintenfische und Kraken können sich fortbewegen, indem sie ihre Mantelhöhle mit Wasser füllen und es dann schnell durch ihren Siphon ausstoßen. Durch Ändern der Kraft des Wasserausstoßes und Ausrichten des Siphons in verschiedene Richtungen können Tiere ihre Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung steuern. Das Siphonorgan ermöglicht es Kopffüßern auch, Tintenstrahlen abzufeuern und so Lockwolken zu bilden, um Raubtiere abzulenken.
Die Forscher fanden zwei Möglichkeiten, diesen Wurfvorgang nachzuahmen: Sie nutzten komprimiertes Kohlendioxid oder fest gewickelte Federn, um die nötige Kraft zu erzeugen, um die flüssigen Medikamente aus der Kapsel zu befördern. Das Gas oder die Feder wird durch einen Kohlenhydratauslöser in einem komprimierten Zustand gehalten, der sich auflöst, wenn er Feuchtigkeit oder einer sauren Umgebung wie dem Magen ausgesetzt wird. Wenn sich der Auslöser auflöst, kann sich das Gas oder die Feder ausdehnen und einen Medikamentenstrahl aus der Kapsel ausstoßen.
In einer Reihe von Experimenten mit Gewebe aus dem Verdauungstrakt berechneten die Forscher den Druck, der erforderlich ist, um Arzneimittel mit ausreichender Kraft auszustoßen, damit sie in das submuköse Gewebe eindringen und sich dort ansammeln und eine Ablagerung bilden, die die Arzneimittel dann in das Gewebe freisetzt.
» Ein weiterer potenzieller Vorteil von Hochgeschwindigkeits-Säulenstrahlen besteht neben der Eliminierung scharfer Strahlen in ihrer Robustheit gegenüber Lokalisierungsproblemen. Im Gegensatz zu einer kleinen Nadel, die engen Kontakt mit dem Gewebe haben muss, deuten unsere Experimente darauf hin, dass ein Strahl möglicherweise in der Lage ist, den Großteil der Dosis aus der Ferne oder in einem leichten Winkel abzugeben“, sagt Arrick.
Die Forscher haben die Kapseln auch so konzipiert, dass sie auf verschiedene Teile des Verdauungstrakts abzielen können. Eine Version der Kapsel mit flachem Boden und hoher Kuppel kann auf einer Oberfläche, beispielsweise der Magenschleimhaut, sitzen und das Medikament nach unten in das Gewebe ausstoßen. Diese Kapsel, die von früheren Forschungen aus Traversos Labor zu selbststeuernden Kapseln inspiriert wurde, hat etwa die Größe einer Blaubeere und kann 80 Mikroliter Medikamente aufnehmen.
Die zweite Version hat eine röhrenförmige Form, die die Ausrichtung in einem langen röhrenförmigen Organ wie der Speiseröhre oder dem Dünndarm ermöglicht. In diesem Fall wird das Medikament nicht nach unten, sondern zur Seitenwand hin ausgeworfen. Diese Version kann 200 Mikroliter Medikamente abgeben.
Die aus Metall und Kunststoff gefertigten Kapseln können den Verdauungstrakt passieren und werden nach Freisetzung ihrer Wirkstoffmenge ausgeschieden.
Nadelfreie Medikamentenverabreichung
In Tierversuchen zeigten Forscher, dass sie diese Kapseln zur Abgabe von Insulin, einem GLP-1-Rezeptor-Agonisten ähnlich dem Diabetes-Medikament Ozempic, und einer Art von RNA, die als kurze interferierende RNA (kurz interferierende RNA) bezeichnet wird, nutzen konnten. Diese Art von RNA kann zum Stummschalten von Genen verwendet werden, was sie möglicherweise bei der Behandlung vieler genetischer Störungen nützlich macht.
Sie zeigten auch, dass die Konzentration der Medikamente im Blut der Tiere Werte in der gleichen Größenordnung erreichte wie bei der Injektion der Medikamente mit einer Spritze.
Forscher gehen davon aus, dass die einnehmbare Kapsel zu Hause von Patienten verwendet werden könnte, die häufig Insulin oder andere injizierte Medikamente einnehmen müssen. Dieser Ansatz erleichtert nicht nur die Medikamentenverabreichung, insbesondere für Patienten, die keine Nadeln mögen, sondern macht auch die Entsorgung scharfer Nadeln überflüssig. Die Forscher entwickelten und testeten außerdem eine Version des Geräts, die an ein Endoskop angeschlossen werden kann, sodass Ärzte es in einer Endoskopie-Suite oder im Operationssaal verwenden können, um einem Patienten Medikamente zu verabreichen.
Die Forscher konnten keine Gewebeschädigungen durch die Freisetzung des Arzneimittels feststellen. Sie planen nun, die Kapseln weiterzuentwickeln und hoffen, sie am Menschen testen zu können.
Die Forschung wurde von Novo Nordisk, dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, dem MIT Department of Mechanical Engineering, dem Brigham and Women’s Hospital und der Advanced Research Projects Agency for Health finanziert.
