Имплантируемые устройства, которые выделяют инсулин в организм, обещают стать альтернативным способом лечения диабета без инъекций инсулина или введения канюль. Однако одно из препятствий, которое до сих пор мешало их использованию, заключается в том, что иммунная система атакует их после имплантации, образуя толстый слой рубцовой ткани, который блокирует высвобождение инсулина.

Это явление, известное как реакция на инородное тело, также может мешать многим другим типам имплантируемых медицинских устройств. Однако команда инженеров и сотрудников Массачусетского технологического института разработала способ преодоления этой реакции. В исследовании на мышах они показали, что, когда они включили механическое срабатывание в мягкое роботизированное устройство, устройство оставалось функциональным гораздо дольше, чем типичный имплантат для доставки лекарств.

Исследователи обнаружили, что устройство неоднократно надувается и сдувается в течение пяти минут каждые 12 часов, и это механическое отклонение предотвращает накопление иммунных клеток вокруг устройства.

«Мы используем этот тип движения, чтобы продлить срок службы и эффективность этих имплантированных резервуаров, которые могут доставлять лекарства, такие как инсулин, и мы считаем, что эта платформа может быть расширена за пределы этого приложения», — говорит Эллен Рош, специалист по развитию карьеры семьи Латам. Профессор машиностроения и член Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института.

Среди других возможных применений исследователи теперь планируют посмотреть, смогут ли они использовать устройство для доставки островковых клеток поджелудочной железы, которые могут действовать как «биоискусственная поджелудочная железа» для лечения диабета.

Рош является со-старшим автором исследования вместе с Эймиром Доланом, бывшим постдоком в ее лаборатории, который сейчас является преподавателем в Национальном университете Ирландии в Голуэе. Гарри Даффи, также профессор NUI Galway, является ключевым сотрудником в работе, опубликованной в Nature Communications . Постдоки Массачусетского технологического института Уильям Уайт и Дебкалпа Госвами, а также приглашенный ученый Софи Ван являются ведущими авторами статьи.

Модулирование иммунных клеток

Большинству пациентов с диабетом 1 типа и некоторым пациентам с диабетом 2 типа приходится ежедневно вводить себе инсулин. Некоторые пациенты используют носимые инсулиновые помпы, которые прикрепляются к коже и вводят инсулин через трубку, вставленную под кожу, или пластыри, которые могут вводить инсулин без трубки.

В течение многих лет ученые работали над устройствами для доставки инсулина, которые можно было бы имплантировать под кожу. Однако фиброзные капсулы, образующиеся вокруг таких устройств, могут привести к выходу их из строя в течение нескольких недель или месяцев.

Исследователи испробовали множество подходов для предотвращения образования такого рода рубцовой ткани, включая местное введение иммунодепрессантов. Команда Массачусетского технологического института применила другой подход, не требующий никаких лекарств. вместо этого их имплантат включает в себя мягкое роботизированное устройство с механическим приводом, которое можно надувать и сдувать. В исследовании 2019 года Рош и ее коллеги (с Доланом в качестве первого автора) показали, что такого рода колебания могут модулировать реакцию соседних иммунных клеток на имплантированное устройство.

Himalaya, Джимнема, 60 каплетов

В новом исследовании исследователи хотели увидеть, может ли этот иммуномодулирующий эффект помочь улучшить доставку лекарств. Они построили двухкамерное устройство из полиуретана, пластика, эластичность которого аналогична внеклеточному матриксу, окружающему ткани. Одна из камер действует как резервуар для лекарств, а другая — как мягкий надувной привод. Используя внешний контроллер, исследователи могут стимулировать привод для надувания и сдувания по определенному графику. Для этого исследования они приводили в действие каждые 12 часов по пять минут за раз.

Это механическое срабатывание отталкивает иммунные клетки, называемые нейтрофилами, клетки, которые инициируют процесс, ведущий к образованию рубцовой ткани. Когда исследователи имплантировали эти устройства мышам, они обнаружили, что для образования рубцовой ткани вокруг устройств требуется гораздо больше времени. В конечном итоге рубцовая ткань действительно образовалась, но ее структура была необычной: вместо спутанных коллагеновых волокон, которые образовывались вокруг статических устройств, коллагеновые волокна, окружающие приводимые в действие устройства, были более выровнены, что, по мнению исследователей, может помочь молекулам лекарства проходить через ткань.

В краткосрочной перспективе мы видим, что в ткани меньше нейтрофилов, окружающих устройство, а затем в долгосрочной перспективе мы видим различия в архитектуре коллагена, которые могут быть связаны с тем, почему мы лучше доставляем лекарство в течение восьми недель. временной период.»

Софи Ван, ведущий автор исследования и приглашенный научный сотрудник Массачусетского технологического института

Устойчивая доставка лекарств

Чтобы продемонстрировать потенциальную полезность этого устройства, исследователи показали, что его можно использовать для доставки инсулина мышам. Устройство сконструировано таким образом, что инсулин может медленно просачиваться через поры в резервуаре с лекарством или высвобождаться большим выбросом, контролируемым исполнительным механизмом.

Исследователи оценили эффективность высвобождения инсулина, измерив последующие изменения уровня глюкозы в крови мышей. Они обнаружили, что у мышей с активируемым устройством эффективная доставка инсулина поддерживалась в течение восьми недель исследования. Однако у мышей, которые не подвергались возбуждению, эффективность доставки начала снижаться уже через две недели, а через восемь недель инсулин почти не мог пройти через фиброзную капсулу.

Авторы также создали версию устройства размером с человека, 120 на 80 миллиметров, и показали, что его можно успешно имплантировать в брюшную полость трупа человека.

«Это было доказательство концепции, чтобы показать, что существует минимально инвазивная хирургическая техника, которая потенциально может быть использована для более масштабного устройства человеческого масштаба», — говорит Госвами.

Работая с Джеффри Миллманом из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе, исследователи теперь планируют адаптировать устройство, чтобы его можно было использовать для доставки клеток поджелудочной железы, полученных из стволовых клеток, которые будут определять уровень глюкозы и выделять инсулин, когда глюкоза снижается. слишком высоко. Такой имплантат мог бы избавить пациентов от необходимости постоянно измерять уровень глюкозы и вводить инсулин.

«Идея заключалась в том, что клетки будут находиться в резервуаре и действовать как фабрика по производству инсулина», — говорит Рош. «Они будут определять уровень глюкозы в крови, а затем высвобождать инсулин в соответствии с необходимостью».

Другие возможные применения, которые исследователи изучили для этого типа устройств, включают доставку иммунотерапии для лечения рака яичников и доставку лекарств к сердцу для предотвращения сердечной недостаточности у пациентов, перенесших сердечные приступы.

«Вы можете себе представить, что мы можем применить эту технологию ко всему, что затруднено реакцией на инородное тело или фиброзную капсулу, и получить долгосрочный эффект», — говорит Рош. «Я думаю, что любое имплантируемое устройство для доставки лекарств может принести пользу».

Исследование частично финансировалось Научным фондом Ирландии, Фондом исследования ювенильного диабета и Национальным институтом здравоохранения.