Профессор Дэвид Грасиас — руководитель аспирантуры факультета химической и биомолекулярной инженерии Университета Джонса Хопкинса. Он поговорил с редактором BBC Science Focus Джейсоном Гудьером о своей последней работе над микропроцессорами с биоинспирацией, которые могут выделять лекарства непосредственно в желудочно-кишечные системы пациентов. Крошечные звездообразные «терагрипперы» цепляются за кишечник, чтобы медленно высвобождать свои лекарственные препараты.
— Вы основали технологию на паразитических нематодах. Откуда взялась эта идея?
— Мы пытаемся доставлять лекарства через желудочно-кишечный тракт, и это серьезная проблема, потому что желудочно-кишечный тракт имеет слизистую оболочку: слой слизи. Это что-то вроде конвейерной ленты, она постоянно движется.
Мы привыкли использовать пластырь для контролируемого высвобождения на внешней стороне тела, но если вы поместите аналогичный пластырь внутри, он не сохранится. Итак, мы подумали, а как природа решает эту проблему? И мы знали, что есть черви и другие организмы, которые колонизируют и живут в желудочно-кишечном тракте в течение длительного периода. Итак, мы начали их изучать. Они впиваются в слизистую, поэтому у нас появилась новая идея сделать это.
— Насколько велики терагрипперы и из чего они сделаны?
— Их размер составляет около четверти миллиметра, поэтому они почти не видны человеческому глазу. И они сделаны из металлов и полимеров.
— Как вы выбрали их размер?
— Мы часто оптимизируем его, и это зависит от конкретного приложения. Большие размеры потенциально могут хранить больше лекарств, но они становятся более инвазивными. Люди сделали приборы сантиметрового масштаба, огромные. Но есть риск засорения и других проблем, поэтому, на наш взгляд, меньший размер менее навязчив. Но затем нам нужно их больше, чтобы доставить определенное количество лекарств.
— Как вы собираетесь производить что-то настолько маленькое?
— Мы используем те же процессы, что и в производстве микрочипов, поэтому они производятся на кремниевых подложках. Они изготавливаются с использованием процесса, называемого фотолитографией, который является стандартной рабочей лошадкой в микропроизводстве. Таким образом, мы можем изготавливать тысячи пластинок одновременно на пластине, что делает производство рентабельным.
— После того, как пациент их принял, как терагрипперы высвобождают лекарство?
— Их можно принимать внутрь или через клизму. Принцип их работы похож на нагруженную пружину. Или вы можете думать об этом как о мышеловке. Итак, вместо спиральной пружины есть тонкие пленки, которые испытывают напряжение и хотят высвободиться. Но идея та же.
Мы сдерживаем их, используя то, что мы называем полимерным триггером, и работаем с различными полимерными триггерами, чтобы иметь возможность настроить полимерный триггер в соответствии с окружающей средой вокруг захвата. Так, например, мы используем триггер, чувствительный к температуре. Мы охлаждаем их, а затем, поскольку они холодные, термостат удерживает их в горизонтальном положении. В наших тестах на животных, когда они попадают в организм, они термически уравновешиваются с телом, которое находится при более высокой температуре около 37°C или около того, и это их запускает. В принципе, вы можете вызвать их из-за множества различных условий в организме, например, pH или биомолекул.
— Как только они срабатывают, как они прикрепляются к слизистой оболочке?
— У терагрипперов есть когти, которые высвобождают значительную силу и прикрепляются. Препарат наносится на пластырь [удерживается внутри], и он распространяется.
— Почему так важно иметь системы с медленным выпуском?
— Есть много мотивирующих факторов для доставки лекарств с замедленным высвобождением. Один из них — комплаенс. Ежегодно регистрируются убытки в размере 600 миллиардов долларов из-за несовершенного соблюдения режима лечения. Это означает, что если у вас возникнет заболевание и вам нужно будет принимать лекарства, вы можете забыть их принять или пропустить, поэтому соблюдение режима лечения является трудным, и это один из мотивирующих факторов. Если у вас есть система, которая постоянно выпускает лекарство, вам не нужно принимать много доз.
Во-вторых, замедленное высвобождение может поддерживать постоянный уровень препарата, а не иметь много всплесков (например, каждый раз, когда вы принимаете таблетку, вы получаете скачок).
И последнее: мы живем в мире, где хотим удобства и не хотим об этом беспокоиться. Вы можете видеть, что в таких продуктах, как никотиновый пластырь, например, люди просто надевают его, а затем могут забыть об этом на весь оставшийся день.
— Для лечения каких типов заболеваний можно использовать терагрипперы?
— Мы рассматриваем множество приложений. В нашей настоящей демонстрации мы использовали их обезболивающее, но мы ищем и другие способы приложения.
— Каков текущий этап и куда бы вы хотели пойти дальше?
— Эта новая область динамических, интеллектуальных машин и робототехники вызывает много волнения. Я определенно рад быть частью этого видения будущего медицины, которое заключается в идее передовой терапии. Мы придумали термин «терапия активными веществами» [для описания этого нового стиля медицины], и я думаю, что он станет доминирующей парадигмой на следующие несколько десятилетий, поскольку мы сделаем медицину более эффективной, безопасной и действенной.
Мы пытаемся продвигать два пути. Одна из них — инженерная: мы рассматриваем возможность использования капсул и их помещения в другие части тела. Какие размеры мы можем использовать? Какие лекарства мы можем загрузить? Мы планируем провести много инженерных исследований. Что касается клинической точки зрения, мы хотели бы в конечном итоге продвинуть это на людях. Это большой скачок от лаборатории к животному, который мы сделали, но нужен еще один скачок от животного к человеку, в основном из соображений безопасности.
Мой сотрудник Флорин Селару — практикующий гастроэнтеролог, так что это отличное партнерство, потому что я в основном работаю с инженерной стороной, но он врач и на самом деле проводит много процедур с пациентами.
Джейсон Гудьер, выпускающий редактор журнала BBC Science Focus
