Вдохновленные киригами, японским искусством складывания и резки бумаги для создания трехмерных структур, инженеры Массачусетского технологического института и их сотрудники разработали новый тип стента, который можно использовать для доставки лекарств в желудочно-кишечный тракт, дыхательные пути или другие трубчатые органы. в теле.
Стенты покрыты гладким слоем пластика с мелкими "иглы" которые всплывают, когда трубка растягивается, позволяя иглам проникать в ткань и доставлять полезную нагрузку микрочастиц, содержащих лекарство. Эти препараты затем высвобождаются в течение длительного периода времени после удаления стента.
Такой вид локализованной доставки лекарств может облегчить лечение воспалительных заболеваний, поражающих желудочно-кишечный тракт, таких как воспалительное заболевание кишечника или эозинофильный эзофагит, – говорит Джованни Траверсо, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института, гастроэнтеролог из Бригама и женской больницы и старший научный сотрудник. автор исследования.
"Эта технология применима практически к любому трубчатому органу," Траверсо говорит. "Возможность доставки лекарств на месте, на нечастой основе, действительно максимизирует вероятность того, что поможет вылечить состояния пациентов, и может изменить наше отношение к уходу за пациентами, позволяя осуществлять локальную пролонгированную доставку лекарств после одного курса лечения."
Сахаб Бабаи, научный сотрудник Массачусетского технологического института, является ведущим автором статьи, которая сегодня публикуется в журнале Nature Materials.
Эластичные стенты
Воспалительные заболевания желудочно-кишечного тракта, такие как ВЗК, часто лечат лекарствами, ослабляющими иммунный ответ организма. Эти препараты обычно вводятся путем инъекций, поэтому они могут вызывать побочные эффекты в других частях тела. Траверсо и его коллеги хотели придумать способ доставки таких лекарств непосредственно к пораженным тканям, уменьшая вероятность побочных эффектов.
Стенты могут предлагать способ доставки лекарств в целевой участок пищеварительного тракта, но введение любого типа стента в желудочно-кишечный тракт может быть сложным, потому что переваренная пища постоянно перемещается по тракту. Чтобы сделать эту возможность более осуществимой, команда Массачусетского технологического института пришла к идее создания стента, который будет временно вставляться, плотно прилегать к ткани, доставляя полезную нагрузку, а затем легко удаляться.
Разработанный ими стент состоит из двух ключевых элементов – мягкой эластичной трубки из резины на основе силикона и пластикового покрытия с вытравленными иглами, которые всплывают при растяжении трубки. Дизайн был вдохновлен киригами – техникой, которую лаборатория Траверсо ранее использовала для создания нескользящего покрытия для подошв обуви.Другие использовали его для создания повязок, которые более надежно приклеиваются к коленям и другим суставам.
"Новизна нашего подхода заключается в том, что мы использовали инструменты и концепции из механики в сочетании с биоинспирацией чешуйчатых животных для разработки нового класса систем высвобождения лекарств, способных размещать депо лекарственного средства непосредственно в стенках просвета трубчатых органов для увеличения продолжительности жизни. выпускать," Бабай говорит. "Стенты из киригами были спроектированы так, чтобы обеспечить обратимое преобразование формы: от плоских до трехмерных, выпуклые иглы для взаимодействия с тканями, а затем до исходной плоской формы для легкого и безопасного удаления."
В этом исследовании команда Массачусетского технологического института покрыла пластиковые иглы микрочастицами, которые могут переносить лекарства. После эндоскопической вставки стента эндоскоп используется для надувания баллона внутри трубки, в результате чего трубка удлиняется. Когда труба растягивается, тянущее движение заставляет иглы в пластике выскакивать и высвобождать свой груз.
"Это динамическая система, в которой у вас есть плоская поверхность, и вы можете создавать эти маленькие иглы, которые выскакивают и вонзаются в ткань, чтобы доставить лекарство," Траверсо говорит.
Для этого исследования исследователи создали иглы для киригами нескольких разных размеров и форм. Изменяя эти характеристики, а также толщину пластикового листа, исследователи могут контролировать, насколько глубоко иглы проникают в ткань. "Преимущество нашей системы в том, что ее можно применять к разным масштабам длины, чтобы соответствовать размеру целевых трубчатых отделов желудочно-кишечного тракта или любых трубчатых органов," Бабай говорит.
Доставка лекарств через ЖКТ
Исследователи протестировали стенты, эндоскопически вставив их в пищевод свиней. Как только стент был на месте, исследователи надували воздушный шар внутри стента, позволяя иглам выскочить. Иглы, которые проникли в ткань примерно на полмиллиметра, были покрыты микрочастицами, содержащими лекарство под названием будесонид, стероид, который используется для лечения ВЗК и эозинофильного эзофагита.
После того, как частицы, содержащие лекарство, были отложены в ткани, исследователи спустили баллон, расплющивая иглы, чтобы стент можно было удалить эндоскопически. Этот процесс занял всего пару минут, а затем микрочастицы оставались в ткани и постепенно высвобождали будесонид в течение примерно одной недели.
По словам Траверсо, в зависимости от состава частиц они могут быть настроены на высвобождение лекарств в течение еще более длительного периода времени. Это может упростить соблюдение пациентом правильного графика приема лекарств, поскольку им больше не нужно будет принимать лекарство самостоятельно, но они будут периодически получать свое лекарство через временную установку стента. Это также позволит избежать побочных эффектов, которые могут возникнуть при системном введении лекарств.
Исследователи также показали, что они могут доставлять стенты в кровеносные сосуды и дыхательные пути. В настоящее время они работают над поставкой других типов лекарств и расширением производственного процесса с целью в конечном итоге тестирования стентов у пациентов.