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《自然》:不用打針了!模仿烏賊噴墨,MIT科學家開發噴藥膠囊,有望革新藥物遞送方式

2024-11-23 17:44:35

▎藥明康德內容團隊編輯

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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