Ispirandosi al modo in cui i calamari usano i getti per spingersi attraverso l'oceano e sparare nuvole di inchiostro, i ricercatori del MIT e Novo Nordisk hanno sviluppato una capsula ingeribile che rilascia un'esplosione di farmaci direttamente nel rivestimento dello stomaco o in altri organi del tratto digestivo . .
Questa capsula potrebbe offrire un modo alternativo per somministrare farmaci che normalmente necessitano di essere iniettati, come l’insulina e altre proteine di grandi dimensioni, compresi gli anticorpi. Questa strategia senza ago potrebbe essere utilizzata anche per fornire RNA, sia come vaccino che come molecola terapeutica per trattare il diabete, l’obesità e altri disturbi metabolici.
Una delle sfide di lunga data che stiamo esplorando è lo sviluppo di sistemi che consentano la somministrazione orale di macromolecole che in genere richiedono un’iniezione per essere somministrate. Questo lavoro rappresenta uno dei prossimi grandi progressi in questa progressione. »
Giovanni Traverso, direttore del Translational Engineering Laboratory e professore associato di ingegneria meccanica al MIT, gastroenterologo al Brigham and Women's Hospital, membro associato del Broad Institute e autore senior dello studio
Traverso e i suoi studenti del MIT hanno sviluppato la nuova capsula in collaborazione con ricercatori del Brigham and Women's Hospital e del Novo Nordisk. Graham Arrick SM '20 e gli scienziati di Novo Nordisk Drago Sticker e Aghiad Ghazal sono gli autori principali dell'articolo, apparso oggi su Natura.
Ispirato ai cefalopodi
I farmaci a base di proteine di grandi dimensioni o RNA generalmente non possono essere assunti per via orale perché si decompongono facilmente nel tratto digestivo. Per diversi anni, il laboratorio di Traverso ha lavorato su come somministrare questi farmaci per via orale incapsulandoli in piccoli dispositivi che li proteggono dalla degradazione, quindi iniettandoli direttamente nel rivestimento del tratto digestivo.
La maggior parte di queste capsule utilizza un piccolo ago o un set di microaghi per somministrare i farmaci una volta che il dispositivo entra nel tratto digestivo. Nel nuovo studio, Traverso e colleghi hanno voluto esplorare modi per somministrare queste molecole senza alcun tipo di ago, cosa che potrebbe ridurre il rischio di danni ai tessuti.
Per raggiungere questo obiettivo, si sono ispirati ai cefalopodi. Calamari e polpi possono spingersi riempiendo d'acqua la cavità del mantello, quindi espellendola rapidamente attraverso il sifone. Modificando la forza di espulsione dell'acqua e orientando il sifone in direzioni diverse, gli animali possono controllare la velocità e la direzione del movimento. L'organo a sifone consente inoltre ai cefalopodi di sparare getti di inchiostro, formando nuvole esca per distrarre i predatori.
I ricercatori hanno trovato due modi per imitare questa azione di lancio, utilizzando anidride carbonica compressa o molle avvolte strettamente per generare la forza necessaria per spingere i farmaci liquidi fuori dalla capsula. Il gas o la molla è mantenuto in uno stato compresso da un grilletto di carboidrati, progettato per dissolversi se esposto all'umidità o ad un ambiente acido come lo stomaco. Quando il grilletto si dissolve, il gas o la molla possono espandersi, spingendo un flusso di farmaco fuori dalla capsula.
In una serie di esperimenti utilizzando tessuti del tratto digestivo, i ricercatori hanno calcolato le pressioni necessarie per espellere i farmaci con una forza sufficiente da consentire loro di penetrare nel tessuto sottomucoso e accumularsi lì, creando un deposito che poi rilascerebbe i farmaci nei tessuti.
» Oltre ad eliminare gli oggetti taglienti, un altro potenziale vantaggio dei getti a colonna ad alta velocità è la loro resistenza ai problemi di localizzazione. A differenza di un piccolo ago, che deve avere un contatto intimo con il tessuto, i nostri esperimenti hanno indicato che un getto potrebbe essere in grado di erogare la maggior parte della dose a distanza o con una leggera angolazione”, afferma Arrick.
I ricercatori hanno inoltre progettato le capsule in modo che potessero colpire diverse parti del tratto digestivo. Una versione della capsula, con fondo piatto e cupola alta, può appoggiarsi su una superficie, come la mucosa dello stomaco, ed espellere il farmaco verso il basso nei tessuti. Questa capsula, ispirata da precedenti ricerche del laboratorio Traverso sulle capsule autodirezionabili, ha le dimensioni di un mirtillo e può contenere 80 microlitri di farmaco.
La seconda versione ha una forma tubolare che gli permette di allinearsi all'interno di un lungo organo tubolare come l'esofago o l'intestino tenue. In questo caso il medicinale viene espulso verso la parete laterale anziché verso il basso. Questa versione può erogare 200 microlitri di farmaco.
Realizzate in metallo e plastica, le capsule possono passare attraverso il tratto digestivo e vengono espulse dopo aver rilasciato il carico di farmaco.
Somministrazione di farmaci senza ago
Nei test sugli animali, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare queste capsule per fornire insulina, un agonista del recettore GLP-1 simile al farmaco per il diabete Ozempic, e un tipo di RNA chiamato RNA interferente corto (siRNA). Questo tipo di RNA può essere utilizzato per silenziare i geni, rendendolo potenzialmente utile nel trattamento di molte malattie genetiche.
Hanno anche dimostrato che la concentrazione dei farmaci nel sangue degli animali raggiungeva livelli dello stesso ordine di grandezza di quelli osservati quando i farmaci venivano iniettati con una siringa.
I ricercatori prevedono che la capsula ingeribile possa essere utilizzata a casa dai pazienti che necessitano di assumere frequentemente insulina o altri farmaci iniettati. Oltre a rendere più semplice la somministrazione dei farmaci, soprattutto per i pazienti che non amano gli aghi, questo approccio elimina anche la necessità di smaltire gli aghi appuntiti. I ricercatori hanno anche creato e testato una versione del dispositivo che potrebbe essere collegata a un endoscopio, consentendo ai medici di utilizzarlo in una sala endoscopica o in una sala operatoria per somministrare farmaci a un paziente.
I ricercatori non hanno rilevato alcun danno tissutale causato dal rilascio del farmaco. Ora intendono sviluppare ulteriormente le capsule, sperando di testarle sugli esseri umani.
La ricerca è stata finanziata da Novo Nordisk, dal Consiglio di ricerca di scienze naturali e ingegneria del Canada, dal Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, dal Brigham and Women's Hospital e dall'Advanced Research Projects Agency for Health.
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