通过受鱿鱼启发的喷射推进技术，研究人员展示了一种微喷射系统，该系统可以直接将药物输送到组织中，其效果与传统针头相当。这项研究发表在《自然》杂志上，由麻省理工学院和诺和诺德公司的科学家领导的研究团队探索了一种新型的无针微喷射系统，用于将药物直接输送到胃肠道。
这些设备的设计灵感来源于头足类动物的喷射推进系统，旨在通过精确的高压喷射将大分子如胰岛素和核糖核酸（RNA）高效地输送到胃肠道，从而改善药物吸收并解决传统注射给药方法的挑战。
背景
大分子药物的递送一直依赖于基于针头的注射，这带来了诸如需要医疗培训、针头相关伤害的风险以及处理锐器的挑战等问题。近年来，可摄入设备的发展提供了一个便捷的替代方案，有望提高患者的依从性。
然而，目前的口服递送设备在有效递送大分子如蛋白质方面仍面临困难，因为它们容易受到消化分解的影响。许多口服系统也无法达到与皮下注射相当的生物利用度水平。尽管机器人和自主设备在自我导向和无针药物递送方面取得了一些成功，但这些方法在胃肠道应用方面仍处于初步探索阶段。
研究内容
在这项研究中，研究人员受到头足类动物自然推进机制的启发，旨在开发一种基于喷射的药物递送方法，以增强大分子在胃肠道组织中的安全有效递送。他们开发并测试了一系列微喷射设备（MiDe系统），设计用于将药物直接输送到胃肠道。
研究团队创建了四种设备配置：两种自主激活版本（MiDeRadAuto和MiDeAxAuto）和两种与内窥镜引导兼容的版本（MiDeRadEndo和MiDeAxEndo）。此外，每种设备的方向都针对特定的胃肠道部分进行了优化。径向模型设计用于瞄准小肠等管状结构，而轴向模型适用于胃部的较宽区域。
这些设备首先在实验室环境中通过体外和离体研究进行校准。在这些测试中，研究人员调整了喷嘴直径、输入压力和喷射角度，以确定有效的组织穿透条件。离体试验在猪胃肠道组织上测量了液体输送深度和在组织层中的分布情况，使用计算机断层扫描（CT）来可视化液体扩散。随后，研究人员调整了设备压力和喷嘴尺寸，以产生适合不同胃肠道区域的高压喷射。
此外，在体内试验中，MiDe设备将胰岛素、胰高血糖素样肽1（GLP-1）类似物和小干扰RNA（siRNA）等治疗剂输送到猪和狗的特定胃肠道部位。随后，研究人员定期采集血液样本，以测量系统的生物利用度。高速成像用于捕捉喷射动力学，使研究人员能够评估设备的稳定性和回弹情况。还进行了安全性和精确性测试，以确认设备在不引起不良反应或周围组织损伤的情况下适用于胃肠道。
结果
研究表明，MiDe设备显著提高了胃肠道内大分子的递送和生物利用度。这些设备实现了胰岛素、GLP-1类似物和siRNA的高系统吸收，性能可与皮下注射媲美。
具体来说，径向内窥镜设备（MiDeRadEndo）在猪小肠中递送GLP-1的生物利用度为67%，而轴向内窥镜设备（MiDeAxEndo）在胃部递送siRNA的生物利用度为82%。自主设备MiDeRadAuto和MiDeAxAuto分别在猪中实现了31%和23%的胰岛素生物利用度。
结果显示，生物利用度受喷射角度、距组织的距离和压力水平等因素影响。当喷射角度相对于组织达到45°时，体积递送效率（VDE）下降了40%。此外，虽然MiDeAxAuto的自定位设计使其在胃部稳定定位，但MiDeRadAuto在肠道中尽管存在一些因动物移动引起的变异性，仍能保持同轴方向。组织学分析也证实，喷射器将治疗剂深入输送到目标组织层而未造成损伤。
径向设备通过双喷嘴设计最小化了回弹，增强了稳定性。此外，这些设备在体内和离体测试中表现出可靠的稳定性和安全性，表明MiDe系统可以安全有效地将大分子输送到胃肠道。
结论
总体而言，研究结果表明，无针、基于微喷射的MiDe系统用于胃肠道药物递送，实现了与皮下注射相当的生物利用度水平，同时安全有效地针对特定的胃肠道区域。这些发现表明，MiDe平台可用于推进口服药物递送技术，使大分子疗法直接输送到胃肠道成为可能。
参考文献：Arrick, G., Sticker, D., Ghazal, A., Lu, Y., Duncombe, T., Gwynne, D., Mouridsen, B.,... Traverso, G., 2024. Cephalopod-inspired jetting devices for gastrointestinal drug delivery. Nature. doi:10.1038/s41586-024-08202-5
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