Hjælper medikamentafgivende partikler med at presse gennem en sprøjte

Mikropartikler tilbyder en lovende måde at levere flere doser af et lægemiddel eller en vaccine på én gang, fordi de kan designes til at frigive deres nyttelast med bestemte intervaller. Imidlertid, partiklerne, som er omtrent på størrelse med et sandkorn, kan være svære at injicere, fordi de kan blive tilstoppet i en typisk sprøjte.

MIT-forskere har nu udviklet en beregningsmodel, der kan hjælpe dem med at forbedre injicerbarheden af ​​sådanne mikropartikler og forhindre tilstopning. Modellen analyserer en række faktorer, herunder størrelsen og formen af ​​partiklerne, at bestemme et optimalt design for injicerbarhed.

Ved at bruge denne model, forskerne var i stand til at opnå en seksdobling i procentdelen af ​​mikropartikler, de kunne injicere med succes. De håber nu at bruge modellen til at udvikle og teste mikropartikler, der kan bruges til at levere kræftimmunterapimedicin, blandt andre potentielle applikationer.

"Dette er en ramme, der kan hjælpe os med nogle af de teknologier, vi har udviklet i laboratoriet, og som vi forsøger at komme ind i klinikken, " siger Ana Jaklenec, en forsker ved MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Jaklenec og Robert Langer, David H. Koch Institute Professor ved MIT, er de ledende forfattere af undersøgelsen, som vises i dag i Videnskabens fremskridt . Avisens hovedforfatter er MIT kandidatstuderende Morteza Sarmadi.

Mikropartikel model

Mikropartikler varierer i størrelse fra 1 til 1, 000 mikron (milliontedele af en meter). Mange forskere arbejder på at bruge mikropartikler lavet af polymerer og andre materialer til at levere lægemidler, og omkring et dusin sådanne lægemiddelformuleringer er blevet godkendt af FDA. Imidlertid, andre har fejlet på grund af vanskeligheden ved at injicere dem.

"Det største problem er tilstopning, et sted i systemet, som ikke tillader, at den fulde dosis afgives, " siger Jaklenec. "Mange af disse lægemidler når ikke udviklingen på grund af udfordringerne med injicerbarhed."

Sådanne lægemidler injiceres normalt intravenøst ​​eller under huden. At sikre, at disse lægemidler med succes når deres destinationer, er et nøgletrin i lægemiddeludviklingsprocessen, men det er en, der ofte bliver gjort sidst, og kan modarbejde en ellers lovende behandling, siger Sarmadi.

"Injicerbarhed er en vigtig faktor for, hvor vellykket et lægemiddel vil være, men der har været lidt opmærksomhed på at forsøge at forbedre administrationsteknikker, " siger han. "Vi håber, at vores arbejde kan forbedre den kliniske oversættelse af nye og avancerede lægemiddelformuleringer med kontrolleret frigivelse."

Langer og Jaklenec har arbejdet på at udvikle hule mikropartikler, der kan fyldes med flere doser af et lægemiddel eller en vaccine. Disse partikler kan designes til at frigive deres nyttelast på forskellige tidspunkter, hvilket kunne eliminere behovet for flere injektioner.

For at forbedre injicerbarheden af ​​disse og andre mikropartikler, forskerne analyserede eksperimentelt virkningerne af at ændre størrelsen og formen af ​​mikropartiklerne, viskositeten af ​​opløsningen, hvori de er suspenderet, og størrelsen og formen af ​​den sprøjte og kanyle, der blev brugt til at levere dem. De testede terninger, sfærer, og cylindriske partikler af forskellig størrelse, og målte hver enkelts injicerbarhed.

Forskerne brugte derefter disse data til at træne en type beregningsmodel kendt som et neuralt netværk til at forudsige, hvordan hver af disse parametre påvirker injicerbarheden. De vigtigste faktorer viste sig at være partikelstørrelsen, partikelkoncentration i opløsningen, opløsningens viskositet, og nålestørrelse. Forskere, der arbejder på lægemiddelleverende mikropartikler, kan blot indtaste disse parametre i modellen og få en forudsigelse af, hvor injicerbare deres partikler vil være, spare den tid, de skulle have brugt på at bygge forskellige versioner af partiklerne og teste dem eksperimentelt.

"I stedet for at gennemgå eksperimenterne, og går frem og tilbage, har ingen idé om, hvor succesfuldt systemet vil være, du kan bruge dette neurale netværk, og det kan guide dig, tidligt, at have en forståelse af systemet, " siger Sarmadi.

Boost injicerbarhed

Forskerne brugte også deres model til at udforske, hvordan en ændring af sprøjtens form kunne påvirke injicerbarheden. De fandt frem til en optimal form, der ligner en dyse, med en bred diameter, der tilspidser mod spidsen. Ved at bruge dette sprøjtedesign, forskerne testede injicerbarheden af ​​de mikropartikler, de beskrev i en 2017 Videnskab undersøgelse, og fandt ud af, at de øgede procentdelen af ​​leveret partikler fra 15 procent til næsten 90 procent.

"Dette er en anden måde at maksimere de kræfter, der virker på partiklerne og skubber partiklerne mod nålen, "Sarmadi siger. "Det er et lovende resultat, der viser, at der er enorm plads til forbedringer i injicerbarheden af ​​mikropartikelsystemer."

Forskerne arbejder nu på at designe optimerede systemer til levering af kræftimmunterapimedicin, som kan hjælpe med at stimulere et immunrespons, der ødelægger tumorceller. De mener, at disse typer mikropartikler også kan bruges til at levere en række forskellige vacciner eller lægemidler, herunder småmolekylære lægemidler og biologiske lægemidler, som omfatter store molekyler såsom proteiner.