Een nieuw platform voor gecontroleerde levering van belangrijke geneesmiddelen op nanoschaal en meer

In werk dat een grote impact zou kunnen hebben op verschillende industrieën – van farmaceutica tot cosmetica en zelfs voedsel – hebben MIT-ingenieurs een nieuw platform ontwikkeld voor de gecontroleerde afgifte van bepaalde belangrijke medicijnen, voedingsstoffen en andere stoffen aan menselijke cellen.

De onderzoekers zijn van mening dat hun eenvoudige aanpak, waarbij kleine capsules worden gemaakt die duizenden druppeltjes op nanoschaal bevatten, geladen met een medicijn of ander actief ingrediënt, gemakkelijk kan worden overgezet van het laboratorium naar de industrie.

De actieve ingrediënten in veel consumentenproducten die bedoeld zijn voor gebruik in of op het menselijk lichaam, lossen niet gemakkelijk op in water. Als gevolg hiervan zijn ze moeilijk door het lichaam te absorberen en is het moeilijk om hun afgifte aan cellen te beheersen.

Alleen al in de farmaceutische industrie “is 40 procent van de geneesmiddelen die momenteel op de markt zijn en 90 procent van de geneesmiddelen in ontwikkeling hydrofoob [their] lage wateroplosbaarheid beperkt hun biologische beschikbaarheid en absorptie-efficiëntie aanzienlijk ”, schrijft het MIT-team in een paper over het werk in het nummer van 28 augustus van het tijdschrift Geavanceerde wetenschap.

Nano-emulsies schieten te hulp

Die medicijnen en andere hydrofobe actieve ingrediënten lossen echter wel op in olie. Vandaar de groeiende belangstelling voor nano-emulsies, het equivalent op nanoschaal van een saladedressing van olie en azijn die bestaat uit minuscule druppeltjes olie gedispergeerd in water. Opgelost in elke oliedruppel is het actieve ingrediënt van belang.

Naast andere voordelen kunnen de met ingrediënten beladen druppeltjes gemakkelijk door celwanden gaan. Elke druppel is zo klein dat er tussen de 1.000 en 5.000 over de breedte van een mensenhaar passen. (Hun tegenhangers op macroschaal zijn te groot om erdoorheen te komen.) Als de druppels eenmaal in de cel zijn, kan hun lading een effect uitoefenen. De druppeltjes zijn ook uitzonderlijk stabiel, wat resulteert in een lange houdbaarheid, en kan voor hun grootte een grote hoeveelheid actief ingrediënt bevatten.

Maar er is een probleem: hoe kapselt u een nano-emulsie in in een doseringsvorm zoals een pil? De technologieën om dit te doen, zijn nog in ontwikkeling.

In een van de meest veelbelovende benaderingen wordt de nano-emulsie ingekapseld in een 3D-netwerk van een polymeergel om kleine kralen te vormen. Op dit moment geven die bolletjes echter hun lading – de met ingrediënten beladen oliedruppeltjes – in één keer af. Er is geen controle over het proces.

Het MIT-team loste dit op door een schaal of capsule toe te voegen rond grote individuele druppeltjes nano-emulsie, die elk duizenden nano-oliedruppeltjes bevatten. Die schaal beschermt niet alleen de nanodruppeltjes binnenin tegen schadelijke fysiologische omstandigheden in het lichaam, maar kan ook worden gebruikt om de vaak onaangename smaak van de actieve ingrediënten die ze bevatten te maskeren.

Het resultaat is een “pil” met een diameter van ongeveer 5 millimeter met een biologisch afbreekbare schaal die op zijn beurt kan worden “afgestemd” om de inhoud op specifieke tijdstippen vrij te geven. Dit wordt gedaan door de dikte van de schaal te veranderen. Tot op heden hebben ze het systeem met succes getest met zowel ibuprofen als vitamine E.

“Ons nieuwe leveringsplatform kan worden toegepast op een breed scala aan nano-emulsies, die zelf actieve ingrediënten bevatten, variërend van medicijnen tot nutraceuticals en zonnebrandmiddelen. Met deze nieuwe controle over hoe u ze toedient, opent dit veel nieuwe wegen in termen van toekomstige toepassingen”, zegt Patrick Doyle, de Robert T. Haslam hoogleraar chemische technologie en senior auteur van het artikel.

Zijn collega’s op het werk zijn Liang-Hsun Chen, een afgestudeerde student in chemische technologie en eerste auteur van het artikel, en Li-Chiun Cheng SM ’18, Ph.D. ’20, die zijn Ph.D. in chemische technologie eerder dit jaar en is nu bij LiquiGlide.

Veel voordelen

Het MIT-platform heeft naast de eenvoud en schaalbaarheid naar de industrie een aantal voordelen. De schaal zelf “is bijvoorbeeld afgeleid van de celwanden van bruine algen, dus het is heel natuurlijk en biocompatibel met het menselijk lichaam”, zegt Chen.

Verder is het proces voor het maken van de nano-emulsie die zijn nuttige lading bevat, economisch omdat het eenvoudige roeren weinig energie vereist. Het proces is ook “heel zacht, die de [active] “, zegt Doyle.” Hardere technieken kunnen ze beschadigen. “

Het team demonstreerde ook het vermogen om de vloeibare nano-emulsie in elke schaal in een vaste kern te veranderen, wat een verscheidenheid aan andere toepassingen mogelijk zou maken. Ze deden dit door een materiaal toe te voegen dat, wanneer geactiveerd door ultraviolet licht, de nano-oliedruppeltjes met elkaar verbindt.

Voor Chen was het meest opwindende deel van het werk het klaarmaken van de capsules en vervolgens “ze te zien barsten om hun inhoud vrij te geven op de beoogde tijden waarvoor ik ze ontwikkelde.”

Doyle merkt op dat vanuit pedagogisch oogpunt het werk “alle kernelementen van chemische technologie combineerde, van vloeistofdynamica tot reactietechniek en massaoverdracht. En voor mij is het best gaaf om ze allemaal in één project te hebben.”