Вместо червей вредителей роботы лекари?

Исследователи из института Джона Хопкинса создают крошечные устройства, меняющие свою форму, которые эффективно доставляют лекарство в желудочно-кишечный тракт.

11/03/2020

Вдохновленные паразитическим червем, который впивается своими острыми зубами в кишечник хозяина, исследователи из института Джона Хопкинса разработали крошечные звездообразные микроприборы, которые могут прикрепляться к слизистой оболочке кишечника и высвобождать лекарства в организм.

Дэвид Грасиас, доктор философии, профессор инженерной школы Уайтинга Университета Джонса Хопкинса и гастроэнтеролог Джонса Хопкинса Флорин М. Селару, доктор медицины, директор Центра воспалительных заболеваний кишечника Джонса Хопкинса, возглавляли группу исследователей и инженеров-биохимиков, которые разработали и протестировали изменяющие форму микроустройства, имитирующие способ прикрепления паразитических анкилостомов к кишечнику организма.

Когда терагриппер открыт, рис. слева. И после подтверждения воздействию внутренних температур тела, рис. справа, он сворачивается и закрепляется на пищеварительной стенке. В центре “робота” есть место для небольшой дозы лекарства. Предоставлено: Университет Джона Хопкинса.

Изготовленные из металла и тонкой, меняющей форму пленки и покрытые термочувствительным парафином, «террагрипперы», каждая размером примерно с пылинку, потенциально могут переносить любое лекарство и постепенно выделять его в организм.

На этой неделе команда института опубликовала результаты исследования на животных на главной странице в журнале Science Advances.

Постепенное и продолжительное высвобождение лекарства – долгожданная цель медицины. Селару объясняет, что проблема с лекарствами с пролонгированным высвобождением заключается в том, что они часто полностью проходят через желудочно-кишечный тракт, прежде чем закончили отпуск лекарства.

«Нормальное сокращение и расслабление мышц желудочно-кишечного тракта не позволяет лекарствам с пролонгированным высвобождением оставаться в кишечнике достаточно долго, чтобы пациент мог получить полную дозу», – говорит Селару, который сотрудничал с Грасиасом более 10 лет. «Мы работали над решением этой проблемы, создавая эти небольшие носители для лекарств, которые могут автономно фиксироваться на слизистой оболочке кишечника и удерживать лекарственную нагрузку в желудочно-кишечном тракте в течение желаемого периода времени».

A) Изображение зубцов желудочков анкилостомы A. duodenale, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Червь использует эти острые зубы для проникновения в слизистую оболочку и прилипает к желудочно-кишечному тракту на срок до 2 лет. Перепечатано из Human Parasitology, 4-е изд. (18). Авторское право 2013, с разрешения Elsevier. (B) СЭМ-изображение тераппера в закрытой конфигурации. Как и у анкилостомы, терапторы снабжены острыми микронаконечниками. Схематические изображения (C) одного и (D) множества терапперов, прикрепленных к ткани слизистой оболочки и высвобождающих инкапсулированное лекарственное средство (окрашено зеленым). Масштабные линейки, 100 мкм (от A до D). (E) Концептуальная иллюстрация ректального введения нагруженных лекарством theragrippers с использованием управляемого давлением микрожидкостного регулятора потока. Изображения (C) – (E) были проиллюстрированы Л. Греггом. MFCS, микрожидкостная система управления потоком.

Тысячи терагрипперов могут быть задействованы в желудочно-кишечном тракте. Когда парафиновое покрытие на захватах достигает температуры внутри тела, устройство закрывается и закрепляется на стенке толстой кишки. Такое действие заставляет крошечные шестиконечные устройства впиваться в слизистую оболочку и оставаться прикрепленными к толстой кишке, где они удерживаются и постепенно высвобождают свои лекарственные вещества в организм. В конце концов, терагрипперы теряют контроль над тканью и выводятся из кишечника в результате нормальной мышечной функции желудочно-кишечного тракта.

Грасиас, говоря о достижениях в области биомедицинской инженерии, за последние годы сказал следующее: «Мы стали свидетелями появления динамических микропроцессорных интеллектуальных устройств, которыми можно управлять с помощью электрических или химических сигналов», – говорит он. «Но эти захваты настолько малы, что в них не поместятся батареи, антенны и другие компоненты».

Theragrippers, говорит Грасиас, не полагаются на электричество, беспроводные сигналы или внешние средства управления. «Вместо этого они действуют как маленькие сжатые пружины с терморегулирующим покрытием на устройствах, которое автономно высвобождает накопленную энергию при температуре тела».

(A) Функциональная блок-схема, иллюстрирующая этапы микротехнологии для набора захватывающих устройств, показывая активирующий слой, элюирующий лекарственное средство слой и термореактивный триггер. (B) SEM изображение, показывающее theragrippers рядом с кончиком иглы для подкожных инъекций 22 размера. Theragrippers достаточно малы, чтобы безопасно проходить через желудочно-кишечный тракт, не вызывая обструкции желудка. (C) СЭМ-изображение, показывающее один 250 мкм, как изготовленный захватчик с хитозановым пластырем, инкапсулированным лекарством, в центре и триггерный слой парафинового воска на петлях. (D) СЭМ-изображение высокого разрешения, показывающее морфологию поверхности хитозанового пластыря в центре захвата. Пластырь имеет поры размером менее 100 нм. (E) Характеристики выделения кеторолака (KT) из захватывающих устройств четырех различных размеров. (F) График, показывающий относительное масштабирование емкости по загрузке лекарственного средства захватов различных размеров. Весь загруженный препарат высвобождается в течение 24 часов. В то время как в наших экспериментах in vivo на крысах использовались тэрагрипперы диаметром 250 мкм, в более крупные тэрагрипперы размером 1,5 мм можно загружать примерно в 100 раз больше лекарственного средства для использования в более крупных моделях животных и на людях.

Исследователи из Джона Хопкинса изготовили устройства с примерно 6,000 терагрипперов на 3-дюймовую кремниевую пластину. В своих экспериментах на животных они загружали болеутоляющее лекарство на захваты. Эксперименты исследователей показали, что животные, которым вводили терагрипперы, имели более высокие концентрации обезболивающего в кровотоке, чем контрольная группа. Препарат оставался в организме испытуемых почти 12 часов, по сравнению с двумя часами в контрольной группе.

Помимо Грасиаса и Селару, авторами статьи в журнале являются Ариджит Гош, Лийи Сю, Неха Гупта, Цианру Лин, Гаятри Пахапале, Ванку Лу и Анджишну Саркар из факультета химической и биомолекулярной инженерии Университета Джонса Хопкинса; Линг Ли и Венката Акшинтала из отделения гастроэнтерологии и гепатологии Медицинского факультета Университета Джона Хопкинса; Ранджит Дэш, Дженни Лам и Рана Рэйс из Johns Hopkins Drug Discovery и факультета неврологии Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса.

источник: hopkinsmedicine.org/…