Докторант Цзюньвэй Ли, ведущий автор исследования, держит в руках образец капсулы, содержащей их фермент. Предоставлено: изображение Мелани Гоник / MIT.
С УЧАСТИЕМ инженеры разрабатывают временную пленку, которая может доставить лекарства или помочь пищеварению и может помочь в лечении диабета, инфекций и других состояний.
Используя ферменты, обнаруженные в пищеварительном тракте, инженеры Массачусетского технологического института разработали способ нанесения временного синтетического покрытия на слизистую оболочку тонкой кишки. Это покрытие может быть адаптировано для доставки лекарств, содействия пищеварению или предотвращения всасывания питательных веществ, таких как глюкоза.
В исследовании, проведенном на свиньях, исследователи продемонстрировали, что они могут использовать этот подход для упрощения доставки лекарств, которые обычно необходимо принимать несколько раз в день. Они также модифицировали покрытия для доставки фермента лактазы, который помогает людям переваривать молочный сахар лактозу и блокировать абсорбцию глюкозы, что может предложить новую стратегию лечения диабета или ожирения.
«Эти три приложения довольно разные, но они дают представление о широком спектре вещей, которые можно сделать с помощью этого подхода», – говорит Джованни Траверсо, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, гастроэнтеролог из Бригама и женской больницы и старший врач. автор исследования.
Подкладка состоит из полимера, состоящего из молекул дофамина, который может потребляться в виде жидкости. Как только раствор достигает тонкой кишки, молекулы собираются в полимер в реакции, катализируемой ферментом, обнаруженным в тонком кишечнике.
Джунвэй Ли, постдок Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха, является ведущим автором исследования, которое опубликовано в Научная трансляционная медицина.
Липкие полимеры
Команда Массачусетского технологического института начала работу над этим проектом с целью разработки жидких лекарственных форм, которые могли бы предложить более легкую для проглатывания альтернативу капсулам, особенно для детей. Их идея заключалась в создании полимерного покрытия для слизистой оболочки кишечника, которое образовывалось бы после проглатывания в виде раствора мономеров (строительных блоков полимеров).
«Дети часто не могут принимать твердые лекарственные формы, такие как капсулы и таблетки, – говорит Траверсо. «Мы начали думать о том, можем ли мы разработать жидкие составы, которые могли бы образовывать синтетическую эпителиальную выстилку, которую затем можно было бы использовать для доставки лекарств, облегчая для пациента прием лекарства».
Они черпали вдохновение из природы и начали экспериментировать с полимером под названием полидофамин (КПК), который является компонентом липкого вещества, выделяемого мидиями, помогающего им цепляться за камни. КПК состоит из мономеров дофамина – того же химического вещества, которое действует как нейротрансмиттер в головном мозге.
Исследователи обнаружили, что фермент под названием каталаза может помочь собрать молекулы дофамина в полимер КПК. Каталаза обнаружена во всем пищеварительном тракте, особенно в верхнем отделе тонкой кишки.
В исследовании, проведенном на свиньях, исследователи показали, что если они доставляют дофамин в жидком растворе вместе с небольшим количеством перекиси водорода (на уровнях, признанных безопасными), каталаза в тонком кишечнике расщепляет перекись водорода на воду и кислород. Этот кислород помогает молекулам дофамина объединяться в полимер PDA. В течение нескольких минут образуется тонкая пленка КПК, покрывающая слизистую оболочку тонкой кишки.
«Эти полимеры обладают мукоадгезионными свойствами, что означает, что после полимеризации полимер может очень прочно прикрепляться к стенке кишечника», – говорит Ли. «Таким образом, мы можем создавать синтетические, похожие на эпителии покрытия на исходной поверхности кишечника».
После того, как исследователи разработали покрытие, они начали экспериментировать со способами его модификации для различных применений. Они показали, что могут прикреплять к пленке фермент, называемый бета-галактозидазой (лактазой), и что эта пленка может затем помочь в переваривании лактозы. У свиней это покрытие повысило эффективность переваривания лактозы примерно в 20 раз.
Для другого приложения исследователи использовали лекарство под названием празиквантел, которое используется для лечения шистосомоза, тропического заболевания, вызываемого паразитическими червями. Обычно это лекарство следует принимать три раза в день, но, используя эту формулировку, его можно вводить только один раз в день и постепенно высвобождать в течение дня. По словам исследователей, этот подход также может быть полезен для антибиотиков, которые нужно вводить более одного раза в день.
Наконец, исследователи показали, что они могут внедрить в полимер крошечные сшивающие агенты, которые делают покрытие непроницаемым для глюкозы (и, возможно, других молекул). По словам исследователей, это может помочь в лечении диабета, ожирения или других нарушений обмена веществ.
Временное покрытие
В этом исследовании исследователи показали, что покрытие держится около 24 часов, после чего оно удаляется вместе с клетками, составляющими слизистую оболочку кишечника, которая постоянно обновляется. Для своих исследований на свиньях исследователи предоставили решение с помощью эндоскопии, но они предполагают разработать питьевую формулу для использования человеком. Исследователи также разрабатывают другие альтернативные составы, включая капсулы и пилюли.
Исследователи провели несколько предварительных исследований безопасности на крысах и обнаружили, что раствор дофамина не оказывает вредного воздействия. Их исследования также показали, что большая часть или все молекулы дофамина становятся частью синтетического покрытия и не попадают в ткани или кровоток, но команда планирует провести дополнительные исследования безопасности, чтобы изучить любые возможные эффекты дофамина.
Более того, исследователи исследовали способность кишечника абсорбировать питательные вещества через 24 часа и не показали различий между животными, которым была введена синтетическая эпителиальная выстилка желудочно-кишечного тракта (GSEL), и животными, не получившими GSEL.
Кроме того, команда обнаружила, что покрытие способно хорошо прилипать к тканям желудочно-кишечного тракта человека.
Ссылка: «Синтетические эпителиальные выстилки желудочно-кишечного тракта» Джунвэй Ли, Томас Ван, Амея Р. Киртане, Юнхуа Ши, Алексис Джонс, Зайна Мусса, Аарон Лопес, Джой Коллинз, Сиддарта М. Таманг, Кейтлин Хесс, Рамин Шакур, Парамеш Карандикар, Сын Ли, Хен-Вей Хуанг, Элисон Хейворд и Джованни Траверсо, 26 августа 2020 г., Научная трансляционная медицина.
DOI: 10.1126 / scitranslmed.abc0441
Исследование финансировалось Фондом Билла и Мелинды Гейтс, Национальными институтами здравоохранения и Департаментом машиностроения Массачусетского технологического института.
