受到烏賊利用噴射推進自己穿梭海洋並噴射墨雲的方式啟發，麻省理工學院（MIT）和諾和諾德（Novo Nordisk）的研究人員開發了一種可吞服的膠囊，該膠囊能夠將藥物直接釋放到胃壁或消化道其他器官的壁上。
這種膠囊為通常需要注射的藥物（例如胰島素和其他大分子蛋白，包括抗體）提供了一種替代遞送方式。這種無針策略還可用於遞送 RNA，無論是作為疫苗還是治療分子，用於治療、肥胖症和其他代謝紊亂。
“我們一直在探索的一個長期挑戰是開發能夠口服遞送通常需要注射的大分子系統。這項研究代表了這一程序中的又一次重大進展，”該研究的資深作者、MIT 機械工程副教授、布萊根婦女醫院（Brigham and Women’s Hospital）胃腸病學家、博德研究所（Broad Institute）副研究員以及轉化工程實驗室主任 Giovanni Traverso 說。
Traverso 及其 MIT 的學生與布萊根婦女醫院和諾和諾德的研究人員共同開發了這種新型膠囊。本文的主要作者是 MIT 碩士畢業生 Graham Arrick、諾和諾德科學家 Drago Sticker 和 Aghiad Ghazal。研究論文近期發表在Nature上。
源自頭足類動物的靈感
由大蛋白或 RNA 組成的藥物通常無法口服，因為它們在消化道中容易被分解。為了應對這一挑戰，多年來，Traverso 的實驗室一直致力於開發一種透過小型裝置遞送此類藥物的方法。這些裝置能夠保護藥物免受分解，然後將其直接注射到消化道壁上。
大多數此類膠囊使用小針頭或微針組，在裝置到達消化道後遞送藥物。而在這項新研究中，Traverso 及其同事希望探索一種不使用任何針頭的遞送方式，從而降低對組織可能造成的損傷風險。
為此，他們從頭足類動物中獲得靈感。魷魚和章魚能夠透過將水吸入外套膜腔，然後透過漏斗快速噴射來推動自己前進。透過調整水噴射的力量並改變漏斗的方向，這些動物可以控制速度和移動方向。漏斗器官還可以幫助頭足類動物噴射墨水形成偽裝雲，從而迷惑捕食者。
研究人員提出了兩種模仿這種噴射動作的方法，分別使用壓縮二氧化碳或緊密捲曲的彈簧來產生所需的動力，將液態藥物從膠囊中噴射出去。氣體或彈簧被一種碳水化合物觸發器壓縮保持，當觸發器暴露在溼氣或胃內酸性環境中時會溶解。一旦觸發器溶解，氣體或彈簧便會釋放壓力，從而將藥物以噴射的形式從膠囊中釋放。
在一系列使用消化道組織的實驗中，研究人員計算了將藥物以足夠的力量噴射到粘膜下組織並在那裡積聚所需的壓力，從而形成藥物儲庫，隨後藥物可以緩慢釋放到組織中。
“除了避免使用尖銳裝置之外，高速柱狀噴射的另一個潛在優勢是對定位問題的魯棒性。相比需要與組織直接接觸的小針，我們的實驗表明噴射可能可以在一定距離或略微傾斜的角度遞送大部分藥物劑量，”Arrick 說。
研究人員還設計膠囊使其能夠針對消化道的不同部位。一種版本的膠囊底部平坦，頂部呈高拱形，可以附著在胃壁等表面，將藥物向下噴射到組織中。這種膠囊受 Traverso 實驗室先前關於自定位膠囊研究的啟發，其大小與藍莓相當，可以攜帶 80 微升藥物。
第二種版本具有管狀結構，可以在食道或小腸等長管狀器官內自行對齊。在這種情況下，藥物被噴射到側壁而不是向下噴射。這種版本可以遞送 200 微升藥物。
這些膠囊由金屬和塑膠製成，可以透過消化道並在釋放藥物後排出體外。
無針藥物遞送
在動物實驗中，研究人員展示瞭如何利用這些膠囊遞送胰島素、一種類似糖尿病藥物 Ozempic 的 GLP-1 受體激動劑，以及一種名為短干擾 RNA（siRNA）的 RNA 型別。這種 RNA 可以用於基因沉默，因此在治療許多遺傳性疾病方面具有潛在用途。
實驗結果顯示，動物血液中藥物的濃度達到了與注射藥物時相同數量級的水平，同時未檢測到任何組織損傷。
研究人員設想，這種可吞服膠囊可以供需要頻繁注射胰島素或其他藥物的患者在家中使用。對於害怕針頭的患者來說，這種方法不僅讓藥物的遞送更加便捷，還避免了處理尖銳針頭的麻煩。研究人員還開發並測試了一種可連線到內窺鏡上的裝置版本，醫生可以在內窺鏡檢查室或手術室中使用該裝置為患者遞送藥物。
“這項技術在大分子藥物的口服遞送方面取得了重要突破，例如胰島素和 GLP-1 激動劑。儘管過去嘗試了許多口服遞送方法，但它們通常在實現高生物利用度方面效率較低。此次研究在動物模型中展示了高效遞送生物利用度的能力。這是一種令人振奮的方法，對於許多目前透過注射或血管內輸注遞送的生物製劑可能會產生深遠影響，”未參與研究的萊斯大學生物工程教授 Omid Veiseh 說。
研究人員計劃進一步開發這些膠囊，希望能夠在人體中進行測試。
該研究由諾和諾德、加拿大自然科學與工程研究委員會、MIT 機械工程系、布萊根婦女醫院以及美國健康高階研究計劃局資助完成。
https://news.mit.edu/2024/bioinspired-capsule-can-pump-drugs-directly-walls-gi-tract-1120
