Mikropartikler skabt ved ny 3D-fremstillingsmetode kunne frigive medicin eller vacciner længe efter injektion

MIT-ingeniører har opfundet en ny 3-D fremstillingsmetode, der kan generere en ny type lægemiddelbærende partikel, der kunne tillade flere doser af et lægemiddel eller en vaccine at blive leveret over en længere periode med kun én injektion.

De nye mikropartikler ligner små kaffekopper, der kan fyldes med et lægemiddel eller en vaccine og derefter forsegles med et låg. Partiklerne er lavet af en biokompatibel, FDA-godkendt polymer, der kan designes til at nedbrydes på bestemte tidspunkter, spilder indholdet af "koppen" ud.

"Vi er meget begejstrede for dette arbejde, fordi for første gang, vi kan skabe et bibliotek af små, indkapslede vaccinepartikler, hver programmeret til at frigive på en præcis, forudsigelig tid, så folk potentielt kunne modtage en enkelt indsprøjtning, træde i kræft, ville have flere boostere allerede indbygget i det. Dette kan have en betydelig indvirkning på patienter overalt, især i udviklingslandene, hvor patientcompliance er særlig dårlig, " siger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT.

Langer og Ana Jaklenec, en forsker ved MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, er avisens seniorforfattere, som vises online i Videnskab den 14. september. Papirets hovedforfattere er postdoc Kevin McHugh og tidligere postdoc Thanh D. Nguyen, nu assisterende professor i maskinteknik ved University of Connecticut.

Forseglede kopper

Langers laboratorium begyndte at arbejde på de nye lægemiddelleveringspartikler som en del af et projekt finansieret af Bill og Melinda Gates Foundation, som søgte en måde at levere flere doser af en vaccine over en bestemt periode med kun én injektion. Det kunne tillade babyer i udviklingslande, som måske ikke ser en læge ofte at få én indsprøjtning efter fødslen, som ville levere alle de vacciner, de skulle bruge i løbet af de første et eller to leveår.

Langer har tidligere udviklet polymerpartikler med lægemidler indlejret i partiklen, giver dem mulighed for gradvist at blive frigivet over tid. Imidlertid, til dette projekt, forskerne ønskede at finde på en måde at levere korte udbrud af et lægemiddel med bestemte tidsintervaller, for at efterligne måden, hvorpå en række vacciner ville blive givet.

For at nå deres mål, de satte sig for at udvikle en forseglbar polymerkop lavet af PLGA, en biokompatibel polymer, der allerede er godkendt til brug i medicinsk udstyr såsom implantater, suturer, og proteser. PLGA kan også designes til at nedbrydes med forskellige hastigheder, muliggør fremstilling af flere partikler, der frigiver deres indhold på forskellige tidspunkter.

Konventionelle 3D-trykningsteknikker viste sig at være uegnede til det materiale og den størrelse, forskerne ønskede, så de måtte opfinde en ny måde at fremstille kopperne på, henter inspiration fra fremstilling af computerchips.

Ved hjælp af fotolitografi, de skabte siliciumforme til kopperne og lågene. Store arrays på omkring 2, 000 forme passer på et glasskred, og disse forme bruges til at forme PLGA-kopperne (terninger med kantlængder på et par hundrede mikrometer) og låg. Når rækken af ​​polymerbægre er blevet dannet, forskerne brugte en specialbygget, automatiseret dispenseringssystem til at fylde hver kop med et lægemiddel eller en vaccine. Efter at kopperne er fyldt, lågene justeres og sænkes ned på hver kop, og systemet opvarmes lidt, indtil koppen og låget smelter sammen, at forsegle stoffet indeni.

"Hvert lag fremstilles først for sig selv, og så er de samlet, " siger Jaklenec. "En del af nyheden er virkelig i, hvordan vi justerer og forsegler lagene. På den måde udviklede vi en ny metode, der kan lave strukturer, som nuværende 3-D printmetoder ikke kan. Denne nye metode kaldet SEAL (StampEd Assembly of polymer Layers) kan bruges med ethvert termoplastisk materiale og muliggør fremstilling af mikrostrukturer med komplekse geometrier, der kan have brede anvendelser, inklusive injicerbar pulserende lægemiddellevering, pH-sensorer, og 3-D mikrofluidiske enheder. "

Langsigtet levering

Molekylvægten af ​​PLGA-polymeren og strukturen af ​​polymermolekylernes "rygrad" bestemmer, hvor hurtigt partiklerne nedbrydes efter injektion. Nedbrydningshastigheden bestemmer, hvornår lægemidlet frigives. Ved at injicere mange partikler, der nedbrydes med forskellige hastigheder, forskerne kan generere et stærkt udbrud af lægemiddel eller vaccine på forudbestemte tidspunkter. "I udviklingslandene, det kan være forskellen mellem ikke at blive vaccineret og at få alle dine vacciner på én gang, " siger McHugh.

Hos mus, forskerne viste, at partikler frigives i skarpe stød, uden forudgående lækage, klokken 9, 20, og 41 dage efter injektion. De testede derefter partikler fyldt med ovalbumin, et protein, der findes i æggehvider, der almindeligvis bruges til eksperimentelt at stimulere et immunrespons. Ved at bruge en kombination af partikler, der frigav ovalbumin 9 og 41 dage efter injektion, de fandt ud af, at en enkelt injektion af disse partikler var i stand til at fremkalde et stærkt immunrespons, der var sammenligneligt med det, der blev fremkaldt af to konventionelle injektioner med dobbelt dosis.

Forskerne har også designet partikler, der kan nedbrydes og frigives hundredvis af dage efter injektion. En udfordring ved at udvikle langtidsvacciner baseret på sådanne partikler, siger forskerne, sørger for, at det indkapslede lægemiddel eller vaccine forbliver stabilt ved kropstemperatur i en lang periode, før det frigives. De tester nu disse leveringspartikler med en række forskellige lægemidler, inklusive eksisterende vacciner, såsom inaktiveret poliovaccine, og nye vacciner er stadig under udvikling. De arbejder også på strategier til stabilisering af vaccinerne.

"SEAL-teknikken kunne give en ny platform, der kan skabe næsten alle små, genstand, der kan fyldes op med næsten ethvert materiale, som kunne give hidtil usete muligheder inden for fremstilling inden for medicin og andre områder, " siger Langer. Disse partikler kunne også være nyttige til at levere lægemidler, der skal gives på regelmæssig basis, såsom allergisprøjter, for at minimere antallet af injektioner.