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Drug Delivery

灵感来源于龟的口服胰岛素胶囊能够自我翻转,准确将胰岛素垂直注射到胃壁下

猪动物实验表明,该技术有望代替不够有效的口服胰岛素片以及避免胰岛素注射剂

by Tien Nguyen
February 7, 2019 | APPEARED IN VOLUME 97, ISSUE 6

 

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Credit: 图片来源:《科学》/美国科学促进会
一旦被摄入后,这种载有胰岛素的胶囊可准确定位扎入胃粘膜。当糖的外衣溶解后,包裹在内的压缩弹簧被释放,将胰岛素注射到胃壁组织。
Sugar-based trigger = 基于糖的引发装置
Insulin injector = 胰岛素注射器
Stomach lining = 胃黏膜


作为药物,胰岛素难以被口服。然而,这不能简单地从字面理解。市面上有口服胰岛素药物销售,且被人们服用。但胰岛素是一种庞大的蛋白质激素。由于体积太大,它无法直接被胃肠道吸收,因而也不能入血而有效的发挥作用。此外,胰岛素还很容易被胃酸和蛋白酶分解。糖尿病患者经常会服用效果欠佳的胰岛素药片多年,而后医生才会建议其转为更高效却繁重的胰岛素注射剂。如今,科学家已经开发出一种一次性的口服胰岛素胶囊,可以通过将胰岛素注射到胃粘膜给药,而胶囊的其它部分可无伤害地经消化系统排出。研究人员证明,此技术在猪动物实验中有效,且使用一剂即与皮下注射的效果相当(Science 2019,DOI: 10.1126/science.aau2277)。该研究由麻省理工学院、哈佛医学院、KTH皇家理工学院以及诺和诺德公司(Novo Nordisk)的科学家完成。

这项科学研究的带头人是麻省理工的Giovanni Traverso和Robert Langer博士,他们将这种可口服胶囊叫做 SOMA (自我定向毫米级给药装置),其具有三个独特的设计:鳞茎状、药物释放触发器和特殊胰岛素针尖。

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Credit: 图片来源:《科学》/美国科学促进会
可自我定向的毫米级给药装置(SOMA)在一美分硬币旁边展示。

该装置的灵感来自豹纹龟的龟壳。豹纹龟高耸的龟壳可帮助其自我复位。自我定向毫米级给药装置(SOMA)的曲面上壳在底部慢慢变宽,形成一个唇角的转角。因此,当该装置被吞入时,它会翻转到直立位置,针尖向下指向胃壁表面。通过内窥镜观察猪的胃部,研究人员发现,与其它球体或椭圆形的外壳相比,该装置可以始终保持垂直。

Traverso说他们的装置针对胃,因为胃是消化系统中最安全的给药部位。该装置几乎可以服用后立即到达胃部。Traverso解释说,针对消化系统其它部分的设计将具有挑战性,因为消化时间因人而异,这意味着研究人员很难控制药物何时释放。此外,胃粘膜足够厚,胰岛素针尖可以插入其组织而不会在器官壁上撕裂一个洞。

设备内部是一个压缩的不锈钢弹簧,连接到载有胰岛素的针。在糖外衣触发器的包裹下,弹簧一直保持压缩状态。针由聚环氧乙烷(PEO)和羟丙基甲基纤维素的可降解生物材料制成,针尖由在极端压力压制下的80%胰岛素和20%聚乙二醇构成。

在设备自身翻转到胃中注射位置的几分钟内,消化器官的潮湿环境溶解了糖外衣触发器,进而释放弹簧,将附有胰岛素的尖刺插入胃壁组织。研究小组发现,在空腹的实验猪中,使用该装置摄取的胰岛素量与手动注射胰岛素相当。研究人员没有看到动物组织受损的迹象。

研究人员称,该装置是一种概念验证,可用于任何生物大分子药物的递送,例如基于RNA或DNA的药物。他们计划运用不同的材料改进该装置,尝试使用更好的可降解生物材料,并希望在几年内开展人体试验。

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师Joseph Wang称该装置的设计非常出色,并赞扬该团队富有创造力的工程能够显著增强口服胰岛素的效果。“这种口服胰岛素的良好效果为皮下注射胰岛素提供了一种有吸引力的替代方案,”他说。.


该报道由李杰为C&EN翻译。文章的原始英文版本如下。


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