Nanoskala, bionedbrydelig lægemiddel-leveringsmetode kunne give et år eller mere af stabile doser

Omkring hver fjerde ældre voksne lider af kroniske smerter. Mange af disse mennesker tager medicin, normalt som piller. Men dette er ikke en ideel måde at behandle smerte på:Patienter skal tage medicin ofte, og kan få bivirkninger, da indholdet af piller spredes gennem blodbanen til hele kroppen.

Nu har forskere ved MIT forfinet en teknik, der kan gøre det muligt at frigive smertestillende medicin og andre lægemidler direkte til bestemte dele af kroppen - og i konstante doser over en periode på op til 14 måneder. Metoden bruger biologisk nedbrydelige, nanoskala "tynde film" fyldt med lægemiddelmolekyler, der absorberes i kroppen i en trinvis proces.

"Det har været svært at udvikle noget, der frigiver [medicin] i mere end et par måneder, " siger Paula Hammond, David H. Koch professor i ingeniørvidenskab ved MIT, og en medforfatter til et nyt papir om forskud. "Nu ser vi på en måde at skabe en ekstremt tynd film eller belægning, der er meget tæt med et lægemiddel, og alligevel frigives med en konstant hastighed i meget lange tidsperioder."

I avisen, offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskerne beskriver metoden, der anvendes i det nye lægemiddelleveringssystem, som væsentligt overstiger frigivelsesvarigheden opnået af de fleste kommercielle bionedbrydelige film med kontrolleret frigivelse.

"Du kan potentielt implantere det og frigive stoffet i mere end et år uden at skulle gå ind og gøre noget ved det, " siger Bryan Hsu PhD '14, som var med til at udvikle projektet som ph.d.-studerende i Hammonds laboratorium. "Du behøver ikke at tage det tilbage. Normalt for at få langsigtet frigivelse af lægemidler, du har brug for et reservoir eller en enhed, noget, der kan holde stoffet tilbage. Og det er typisk ikke-nedbrydeligt. Det frigiver langsomt, men det vil enten sidde der, og du har dette fremmedlegeme tilbageholdt i kroppen, eller du er nødt til at gendanne den."

Lag for lag

Avisen var medforfatter af Hsu, Myoung-Hwan Park ved Shamyook University i Sydkorea, Samantha Hagerman '14, og Hammond, hvis laboratorium er i Koch Institute for Integrative Cancer Research ved MIT.

Forskningsprojektet tackler et vanskeligt problem med lokaliseret lægemiddellevering:Enhver bionedbrydelig mekanisme, der er beregnet til at frigive et lægemiddel over en lang periode, skal være robust nok til at begrænse hydrolyse, en proces, hvorved kroppens vand nedbryder bindingerne i et lægemiddelmolekyle. Hvis der sker for meget hydrolyse for hurtigt, stoffet vil ikke forblive intakt i lange perioder i kroppen. Alligevel skal lægemiddelfrigivelsesmekanismen designes sådan, at et lægemiddelmolekyle gør, faktisk, nedbrydes i konstante trin.

For at løse dette, forskerne udviklede, hvad de kalder en "lag-for-lag"-teknik, hvor lægemiddelmolekyler effektivt er fastgjort til lag af tyndfilmbelægning. I dette specifikke tilfælde, forskerne brugte diclofenac, et ikke-steroidt antiinflammatorisk lægemiddel, der ofte ordineres til slidgigt og andre smerter eller betændelsestilstande. De bandt det derefter til tynde lag af poly-L-glutamatsyre, som består af en aminosyre som kroppen optager, og to andre organiske forbindelser. Filmen kan påføres på nedbrydelige nanopartikler til injektion på lokale steder eller bruges til at belægge permanente enheder, såsom ortopædiske implantater.

I test, forskerholdet fandt, at diclofenac blev frigivet støt over 14 måneder. Fordi effektiviteten af ​​smertestillende medicin er subjektiv, de vurderede effektiviteten af ​​metoden ved at se, hvor godt diclofenac blokerede aktiviteten af ​​cyclooxygenase (COX), et enzym centralt for inflammation i kroppen.

"Vi fandt ud af, at den forbliver aktiv efter at være blevet frigivet, "Hsu siger, hvilket betyder, at den nye metode ikke skader lægemidlets virkning. Eller, som avisen bemærker, lag-for-lag-metoden frembragte "væsentlig COX-hæmning på samme niveau" som piller.

Metoden giver også forskerne mulighed for at justere mængden af ​​det lægemiddel, der leveres, hovedsageligt ved at tilføje flere lag af den ultratynde belægning.

En holdbar strategi for mange lægemidler

Hammond og Hsu bemærker, at teknikken kunne bruges til andre former for medicin; en sygdom som tuberkulose, for eksempel, kræver mindst seks måneders lægemiddelbehandling.

"Det er ikke kun levedygtigt for diclofenac, "Hsu siger. "Denne strategi kan anvendes på en række lægemidler."

Ja, andre forskere, der har set på papiret, siger, at den potentielle medicinske alsidighed af tyndfilmsteknikken er af stor interesse.

"Jeg finder det virkelig spændende, fordi det er bredt anvendeligt til mange systemer, " siger Kathryn Uhrich, professor ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi ved Rutgers University, tilføjer, at forskningen er "virkelig et godt stykke arbejde."

At være sikker, i hvert tilfælde, forskere skal finde ud af, hvordan man bedst binder det pågældende lægemiddelmolekyle til en biologisk nedbrydelig tyndfilmbelægning. De næste trin for forskerne omfatter undersøgelser for at optimere disse egenskaber i forskellige kropslige miljøer og flere tests, måske med medicin mod både kroniske smerter og betændelse.

En væsentlig motivation for arbejdet, Hammond bemærker, er "hele ideen om, at vi måske kunne designe noget ved hjælp af denne slags tilgange, der kunne skabe en [nemmere] livsstil" for mennesker med kronisk smerte og betændelse.

Hsu og Hammond var involveret i alle aspekter af projektet og skrev papiret, mens Hagerman og Park hjalp med at udføre forskningen, og Park hjalp med at analysere dataene.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.