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三百多年前，英國建築師兼科學家克里斯托弗·雷恩爵士（Sir Christopher Wren）對藥物遞送產生興趣，希望找到一種方法直接將藥物或液體注入人體。他用鵝毛、金屬管等工具製作了一個簡易的注射器，首次嘗試用打針的方式將藥物溶液注入狗的靜脈血管。
從那時起，“打針”逐漸成為一種廣泛應用的給藥方式。到了今天，很多大分子生物製劑，例如重組胰島素、單克隆抗體、疫苗，主要都是透過注射的方式進入人體發揮藥效的。
圖片來源：123RF
然而打針帶來的疼痛與麻煩不言自明，尤其是在治療或癌症等需要頻繁用藥的慢病時，注射給患者的日常生活帶來了相當大的負擔。所以，近年來很多科學家在積極尋求革新藥物遞送系統的方法：無需打針，透過更為簡單的口服方式，讓胰島素、抗體這類大分子藥物進入血液迴圈。
但要口服這類藥物，就得解決一系列問題。首先是藥物的穩定性。像胰島素或是單克隆抗體，在胃腸道中很容易被消化液降解，難以保持生物活性。其次，大分子藥物較大的體型也很難讓它們被胃腸道高效吸收。
為了克服這些挑戰，麻省理工學院（MIT）的Giovanni Traverso教授與醫藥公司諾和諾德（Novo Nordisk）的科學家展開了多年合作。最近，在烏賊、章魚等頭足類動物的啟發下，他們開發了一種高科技膠囊。這種膠囊能像烏賊噴墨那樣，自動將其中包含的藥物直接“噴”進人的胃腸道內壁，全程無需任何針頭。
在最新一期的《自然》雜誌上，研究團隊展示了他們的新成果：“烏賊膠囊”實現了不亞於傳統注射的藥物吸收率技術，有望為胰島素、抗體、RNA或其他大分子的遞送帶來解決方案。
烏賊經常受捕食者的威脅，因此發展出了很多保護自己的方法，噴墨就是最為人熟知的技巧之一。它們靠外套膜強有力的肌肉收縮，將墨囊中的墨汁透過漏斗孔迅速噴出，形成一團濃密而迅速擴散的黑雲，遮擋敵人的視線。除了噴墨，這套靈活的噴射系統還可以噴水，透過改變水的推力以及漏斗水管的指向，控制自己的運動速度和運動方向。
研究人員從中汲取靈感，設計了兩種模擬烏賊噴射的微射流遞送（MiDe）系統，可適用於胃腸道的不同部分。一種大約藍莓那麼大，可攜帶80微升藥物，適合在胃、結腸等球狀部位軸向噴射；另一種呈細管狀，可一次提供200微升藥物，適合在食道、小腸等較窄的細長部位徑向噴射。
▲受烏賊噴墨的啟發，研究人員開發了兩款可向不同角度噴射的藥物遞送系統（圖片來源：參考資料[1]）
噴射的推力來自膠囊內的彈簧或是壓縮的二氧化碳氣體，在膠囊被吞服前，彈簧或氣體在觸發器的作用下保持壓縮狀態；而在膠囊被吞進胃部後，胃部特有的潮溼酸性環境會溶解觸發器，使彈簧彈出或氣體膨脹，從而將藥物噴射出來。
為了保證膠囊在合適的位置噴射，研究人員透過一系列實驗計算出了在不同位置噴藥所需的推力，相匹配的噴嘴尺寸和噴射角度。實驗結果顯示，膠囊不需要與胃腸道組織表面直接接觸就可產生所需的效果。至於膠囊本身，在完成噴藥任務後可以透過消化道排出體外。
▲影片展示了膠囊反衝、噴射的動態過程（影片來源：參考資料[1]）
▲膠囊適用於消化道中結構不同的部位（圖片來源：參考資料[1]）
這款膠囊的雛形曾在2019年登上，此後的擴容版本也在上亮相，分別顯示了遞送胰島素和單抗藥物的應用潛力。但此前的這些版本都在膠囊中設計了可降解的微型針頭，也就是需要膠囊把自己“扎”在消化道壁上釋放藥物。此次的新版本則完全不需要針頭，也就大大減少了造成組織損傷的可能性。
最新研究中，研究人員使用豬和狗等動物作為測試物件，測試了兩款無針膠囊在體內遞送生物大分子藥物的效果，成功地將胰島素、GLP-1類似物、siRNA（短干擾RNA，可用於治療遺傳疾病）等不同型別的大分子藥物送入動物體內，並且從血液中的藥物濃度來看，達到了與用注射器注射藥物時看到的相同數量級的水平。
▲膠囊將胰島素成功送入動物體內（圖片來源：參考資料[1]）
除了患者可以自行口服外，研究人員還額外設計了適用於內窺鏡的膠囊版本，以便將來醫生在內窺鏡檢查或手術時替代內窺鏡注射針使用。
“這些裝置不僅實現了與傳統注射相當或更高的藥物吸收率，還有望改變慢性病的管理和治療體驗。”《自然》雜誌總結道。
參考資料：
[1] G. Arrick et al., Cephalopod-inspired jetting devices for gastrointestinal drug delivery. Nature (2024) Doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08202-5
[2] A bioinspired capsule can pump drugs directly into the walls of the GI tract. Retrieved Nov. 21, 2024 from https://www.eurekalert.org/news-releases/1065073
[3] Abramson, A., Frederiksen, M.R., Vegge, A. et al. Oral delivery of systemic monoclonal antibodies, peptides and small molecules using gastric auto-injectors. Nat Biotechnol (2021). https://doi.org/10.1038/s41587-021-01024-0
[4] Alex Abramson et al., An ingestible self-orienting system for oral delivery of macromolecules, Science (2019) DOI: 10.1126/science.aau2277
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