В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследовательская группа под руководством ученых из Массачусетского технологического института и компании Novo Nordisk изучила новую безыгольную микроструйную систему для доставки лекарств непосредственно в желудочно-кишечный тракт.
Эти устройства, созданные по образцу реактивной системы движения головоногих моллюсков, были разработаны для эффективного введения макромолекул, таких как инсулин и рибонуклеиновая кислота (РНК), посредством точных струй высокого давления в желудочно-кишечный тракт, что потенциально улучшает всасывание лекарств и решает проблемы, связанные с традиционными методами введения, основанными на инъекциях.
Доставка лекарств для макромолекул зависела от инъекций с использованием игл, что поднимает такие вопросы, как необходимость медицинского обучения, риск травм, связанных с иглами, и проблема утилизации острых предметов. В последнее время разработка проглатываемых устройств предложила удобную альтернативу, потенциально повышающую приверженность пациентов.
Однако современные устройства для пероральной доставки испытывают трудности с эффективной доставкой крупных молекул, таких как белки, из-за их уязвимости к пищеварительному расщеплению. Многие пероральные системы также не достигают уровней биодоступности, сопоставимых с уровнями подкожных инъекций. Кроме того, хотя роботизированные и автономные устройства продемонстрировали определенный успех в самонаправляемой и безыгольной доставке лекарств, эти методы остаются в значительной степени недостаточно изученными для желудочно-кишечных применений.
В этом исследовании, вдохновленном естественными механизмами движения, наблюдаемыми у головоногих, исследователи стремились разработать реактивный подход к доставке лекарств для повышения безопасной и эффективной доставки крупных молекул в ткани желудочно-кишечного тракта. Они разработали и протестировали ряд микроструйных устройств (систем MiDe), предназначенных для доставки лекарств непосредственно в желудочно-кишечный тракт.
Были созданы четыре конфигурации устройств: две автономные, самоактивирующиеся версии (MiDeRadAuto и MiDeAxAuto) и две версии, совместимые с эндоскопическим наведением (MiDeRadEndo и MiDeAxEndo). Кроме того, ориентация каждого устройства была оптимизирована для определенных участков желудочно-кишечного тракта. Радиальные модели были разработаны для воздействия на трубчатые структуры, такие как тонкий кишечник, в то время как аксиальные модели подходили для более широких областей в желудке.
Устройства были сначала откалиброваны в лабораторных условиях с помощью исследований in vitro и ex vivo. Во время этих испытаний исследователи варьировали диаметр сопла, входное давление и угол струи, чтобы определить оптимальные условия для эффективного проникновения в ткани.
Испытания ex vivo на ткани желудочно-кишечного тракта свиньи измеряли глубину подачи жидкости и ее распределение в слоях ткани с помощью компьютерной томографии (КТ) для визуализации распространения жидкости. После этих испытаний исследователи точно настроили давление устройства и размеры сопла для получения струй высокого давления, подходящих для различных областей желудочно-кишечного тракта.
Кроме того, в испытаниях in vivo устройства MiDe доставляли терапевтические агенты, такие как инсулин, аналоги глюкагоноподобного пептида 1 (GLP-1) и малые интерферирующие РНК (siRNA) в определенные желудочно-кишечные участки у свиней и собак. Впоследствии исследователи собирали образцы крови через регулярные промежутки времени для измерения системной биодоступности.
Более того, высокоскоростная визуализация использовалась для захвата динамики струи, что позволило исследователям оценить стабильность и отдачу устройства. Также были проведены испытания на безопасность и точность, чтобы подтвердить пригодность устройства для использования в желудочно-кишечном тракте без возникновения побочных эффектов или повреждения окружающих тканей.
Исследователи продемонстрировали, что устройства MiDe значительно улучшили доставку и биодоступность макромолекул в желудочно-кишечном тракте. Устройства достигли высокой системной абсорбции инсулина, аналогов GLP-1 и siRNA с производительностью, сопоставимой с подкожными инъекциями.
В частности, радиальное эндоскопическое устройство (MiDeRadEndo) доставляло GLP-1 с 67% биодоступностью в кишечнике свиньи, в то время как аксиальное эндоскопическое устройство (MiDeAxEndo) достигло 82% биодоступности для siRNA в желудке. Автономные устройства MiDeRadAuto и MiDeAxAuto продемонстрировали 31% и 23% биодоступности соответственно для инсулина у свиней.
Результаты показали, что на биодоступность влияли такие факторы, как угол струи, расстояние от ткани и уровень давления. Наблюдалось 40%-ное снижение объемной эффективности доставки (VDE), когда угол струи достигал 45° относительно ткани.
Кроме того, в то время как самоориентирующаяся конструкция MiDeAxAuto обеспечивала стабильное позиционирование в желудке, MiDeRadAuto сохранял коаксиальную ориентацию в кишечнике, несмотря на некоторую изменчивость из-за движения животного. Гистологический анализ также подтвердил, что струи доставляли терапевтические агенты глубоко в целевые слои тканей, не вызывая повреждений.
Радиальные устройства минимизировали отдачу благодаря конструкции с двумя соплами, что также повысило стабильность. Более того, устройства продемонстрировали надежную безопасность и стабильность в тестах in vivo и ex vivo , что свидетельствует о том, что системы MiDe могут безопасно и эффективно доставлять большие молекулы в желудочно-кишечный тракт.
В целом, результаты показали, что безыгольные микроструйные системы MiDe для доставки лекарств в желудочно-кишечный тракт достигли уровней биодоступности, аналогичных подкожным инъекциям, при этом безопасно и эффективно воздействуя на определенные области желудочно-кишечного тракта. Эти результаты показали, что платформа MiDe может быть использована для совершенствования технологии пероральной доставки лекарств, что делает возможным доставку макромолекулярных терапий непосредственно в желудочно-кишечный тракт.
