受到乌贼利用喷射推进自己穿梭海洋并喷射墨云的方式启发，麻省理工学院（MIT）和诺和诺德（Novo Nordisk）的研究人员开发了一种可吞服的胶囊，该胶囊能够将药物直接释放到胃壁或消化道其他器官的壁上。
这种胶囊为通常需要注射的药物（例如胰岛素和其他大分子蛋白，包括抗体）提供了一种替代递送方式。这种无针策略还可用于递送 RNA，无论是作为疫苗还是治疗分子，用于治疗糖尿病、肥胖症和其他代谢紊乱。
“我们一直在探索的一个长期挑战是开发能够口服递送通常需要注射的大分子系统。这项研究代表了这一进程中的又一次重大进展，”该研究的资深作者、MIT 机械工程副教授、布莱根妇女医院（Brigham and Women’s Hospital）胃肠病学家、博德研究所（Broad Institute）副研究员以及转化工程实验室主任 Giovanni Traverso 说。
Traverso 及其 MIT 的学生与布莱根妇女医院和诺和诺德的研究人员共同开发了这种新型胶囊。本文的主要作者是 MIT 硕士毕业生 Graham Arrick、诺和诺德科学家 Drago Sticker 和 Aghiad Ghazal。研究论文近期发表在Nature上。
源自头足类动物的灵感
由大蛋白或 RNA 组成的药物通常无法口服，因为它们在消化道中容易被分解。为了应对这一挑战，多年来，Traverso 的实验室一直致力于开发一种通过小型装置递送此类药物的方法。这些装置能够保护药物免受分解，然后将其直接注射到消化道壁上。
大多数此类胶囊使用小针头或微针组，在装置到达消化道后递送药物。而在这项新研究中，Traverso 及其同事希望探索一种不使用任何针头的递送方式，从而降低对组织可能造成的损伤风险。
为此，他们从头足类动物中获得灵感。鱿鱼和章鱼能够通过将水吸入外套膜腔，然后通过漏斗快速喷射来推动自己前进。通过调整水喷射的力量并改变漏斗的方向，这些动物可以控制速度和移动方向。漏斗器官还可以帮助头足类动物喷射墨水形成伪装云，从而迷惑捕食者。
研究人员提出了两种模仿这种喷射动作的方法，分别使用压缩二氧化碳或紧密卷曲的弹簧来产生所需的动力，将液态药物从胶囊中喷射出去。气体或弹簧被一种碳水化合物触发器压缩保持，当触发器暴露在湿气或胃内酸性环境中时会溶解。一旦触发器溶解，气体或弹簧便会释放压力，从而将药物以喷射的形式从胶囊中释放。
在一系列使用消化道组织的实验中，研究人员计算了将药物以足够的力量喷射到粘膜下组织并在那里积聚所需的压力，从而形成药物储库，随后药物可以缓慢释放到组织中。
“除了避免使用尖锐装置之外，高速柱状喷射的另一个潜在优势是对定位问题的鲁棒性。相比需要与组织直接接触的小针，我们的实验表明喷射可能可以在一定距离或略微倾斜的角度递送大部分药物剂量，”Arrick 说。
研究人员还设计胶囊使其能够针对消化道的不同部位。一种版本的胶囊底部平坦，顶部呈高拱形，可以附着在胃壁等表面，将药物向下喷射到组织中。这种胶囊受 Traverso 实验室先前关于自定位胶囊研究的启发，其大小与蓝莓相当，可以携带 80 微升药物。
第二种版本具有管状结构，可以在食道或小肠等长管状器官内自行对齐。在这种情况下，药物被喷射到侧壁而不是向下喷射。这种版本可以递送 200 微升药物。
这些胶囊由金属和塑料制成，可以通过消化道并在释放药物后排出体外。
无针药物递送
在动物实验中，研究人员展示了如何利用这些胶囊递送胰岛素、一种类似糖尿病药物 Ozempic 的 GLP-1 受体激动剂，以及一种名为短干扰 RNA（siRNA）的 RNA 类型。这种 RNA 可以用于基因沉默，因此在治疗许多遗传性疾病方面具有潜在用途。
实验结果显示，动物血液中药物的浓度达到了与注射药物时相同数量级的水平，同时未检测到任何组织损伤。
研究人员设想，这种可吞服胶囊可以供需要频繁注射胰岛素或其他药物的患者在家中使用。对于害怕针头的患者来说，这种方法不仅让药物的递送更加便捷，还避免了处理尖锐针头的麻烦。研究人员还开发并测试了一种可连接到内窥镜上的装置版本，医生可以在内窥镜检查室或手术室中使用该装置为患者递送药物。
“这项技术在大分子药物的口服递送方面取得了重要突破，例如胰岛素和 GLP-1 激动剂。尽管过去尝试了许多口服递送方法，但它们通常在实现高生物利用度方面效率较低。此次研究在动物模型中展示了高效递送生物利用度的能力。这是一种令人振奋的方法，对于许多目前通过注射或血管内输注递送的生物制剂可能会产生深远影响，”未参与研究的莱斯大学生物工程教授 Omid Veiseh 说。
研究人员计划进一步开发这些胶囊，希望能够在人体中进行测试。
该研究由诺和诺德、加拿大自然科学与工程研究委员会、MIT 机械工程系、布莱根妇女医院以及美国健康高级研究计划局资助完成。
https://news.mit.edu/2024/bioinspired-capsule-can-pump-drugs-directly-walls-gi-tract-1120