Исследователи из Национального института биомедицинской визуализации и биоинженерии (NIBIB) разработали инновационную биохимическую формулу минерализованных соединений, которые взаимодействуют в кровотоке для регулирования уровня сахара в крови в течение нескольких дней. В испытательном исследовании, проведенном на мышах, исследователи показали, что биохимически сформированный пластырь из растворимых микроигл может реагировать на химический состав крови, автоматически регулируя уровень глюкозы.
«Этот экспериментальный подход может быть способом воспользоваться преимуществом того факта, что люди с диабетом 2 типа все еще могут вырабатывать некоторое количество инсулина», – сказал Ричард Липман, доктор философии.D., Научный руководитель НИБИБ. «Еженедельное наложение пластыря с микроиглами также будет менее сложным и болезненным, чем рутинные процедуры, требующие частого анализа крови."
Инсулин – это гормон, вырабатываемый поджелудочной железой и секретируемый в кровоток для регулирования уровня глюкозы в ответ на прием пищи.
Это необходимо для перемещения глюкозы из кровотока в клетки, где сахар может быть преобразован в энергию или сохранен. При диабете 1 типа, который обычно диагностируется у детей и молодых людей, организм вообще не вырабатывает инсулин. Диабет 2 типа, который можно диагностировать в любом возрасте, но чаще у взрослых, постепенно снижает способность организма производить или использовать инсулин. Без лечения диабет может привести к повреждению как сосудов, так и нервов по всему телу, что оказывает изнурительное воздействие на глаза, ступни, почки и сердце.
Глобальная заболеваемость всеми типами диабета составляет около 285 миллионов человек, из которых 90 процентов страдают диабетом 2 типа. Многим требуется инсулинотерапия, которая обычно вводится путем инъекции непосредственно под кожу в количествах, которые рассчитываются в соответствии с дефицитом естественного инсулина в крови.
В половине случаев инсулинотерапия неэффективна.
Исследователи NIBIB под руководством Сяоюаня (Шона) Чена, старшего исследователя лаборатории молекулярной визуализации и наномедицины, работают над альтернативным терапевтическим подходом для регулирования уровня сахара в крови при диабете 2 типа с использованием безболезненного кожного пластыря. В ноя. 24, 2017, исследование, опубликованное в Интернете в Nature Communications, команда применила лечение к мышам, чтобы продемонстрировать его потенциальную эффективность.
Основа экспериментального пластыря – материал под названием альгинат, натуральное вещество, напоминающее смолу, извлекаемое из бурых водорослей. Его смешивают с терапевтическими средствами и разливают в форму микроигл, чтобы получился пластырь. «Альгинат – податливый материал, он мягкий, но не слишком мягкий», – сказал Чен. "Он должен уметь протыкать дерму, и, хотя он не является широко используемым материалом для игл, в этом случае он, кажется, работает очень хорошо."
Команда Чена добавила в альгинат формулу биохимических частиц, которая при необходимости стимулирует выработку инсулина в организме и сокращает эту стимуляцию при достижении нормальной концентрации сахара в крови. Чувствительная система доставки пластыря может удовлетворять потребности организма в течение нескольких дней вместо того, чтобы израсходовать все сразу.
«Диабет – очень серьезное заболевание, которое поражает многих людей», – сказал Чен, объяснив, что его группа является частью многолюдной области исследований лекарств и разработчиков с конкурирующими идеями. "Все ищут формулу длительного действия."
Безболезненный пластырь для кожи реагирует на уровень сахара для лечения диабета 2 типа | Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии
Формула Чена объединяет два лекарственных соединения – эксендин-4 и глюкозооксидазу – в один пластырь. Эти два соединения вступают в реакцию с химией крови, вызывая секрецию инсулина. Каждая из них сочетается с частицами фосфатного минерала, которые стабилизируют соединение до тех пор, пока оно не понадобится.
Кислотность, возникающая при повышении концентрации сахара, ослабляет связь с лекарством, удерживаемую одним, но не другим минералом.
Эксендин-4 похож по генетическому составу на молекулу, которую организм производит и выделяет в кишечнике в ответ на прием пищи.
Хотя он несколько слабее, чем встречающаяся в природе молекула, команда выбрала для его применения эксендин-4, потому что эксендин-4 не разлагается в кровотоке в течение часа или более, поэтому может иметь длительный эффект после высвобождения. Тем не менее, он может вызвать тошноту, если всасывается слишком много. Чтобы контролировать скорость его всасывания, исследователи объединили эксендин-4 с минеральными частицами фосфата кальция, которые стабилизируют его до тех пор, пока не произойдет другая химическая реакция.
Эта химическая реакция вызвана вторым лекарственным соединением пластыря – глюкозооксидазой, которое содержится в минеральном буфере фосфата меди.
Чен объяснил, что когда уровень сахара в крови повышается сверх определенной точки, он запускает реакцию с фосфатом меди и глюкозооксидазой, вызывая легкую кислотность, которая заставляет фосфат кальция высвобождать эксендин-4.
Повышение уровня глюкозы вызывает высвобождение эксендина-4; но эксендин-4 затем заставляет течь инсулин, чтобы снизить уровень глюкозы, что замедляет и останавливает высвобождение эксендина-4. «Вот почему мы называем это отзывчивым, или умным, выпуском», – сказал Чен. "Большинство современных подходов включают постоянное высвобождение. Наш подход создает волну быстрого высвобождения, когда это необходимо, а затем замедляет или даже останавливает высвобождение, когда уровень глюкозы стабильный."
Исследователи продемонстрировали, что пластырь размером около полдюйма в квадрате содержал достаточно лекарства, чтобы контролировать уровень сахара в крови у мышей в течение недели. Чтобы этот подход стал приложением, которое могли бы использовать люди с диабетом 2 типа, команде необходимо будет провести тесты для лечения более крупных животных с помощью пластыря, который содержит пропорционально больше терапевтического соединения.
В дополнение к размеру пластырь необходимо будет изменить для нанесения на кожу человека, что, вероятно, потребует более длинных игл.
«Нам нужно будет увеличить размер пластыря и оптимизировать длину, форму и морфологию игл», – сказал Чен. "Кроме того, пластырь должен быть совместим с повседневной жизнью, например, позволяя принимать душ или потоотделение."
Чен воодушевлен успехом своих экспериментов и отчетами об исследованиях неуклонного прогресса других экспериментальных разработчиков пластырей для микроигл.
Например, другие завершили ранние исследования на людях с помощью пластырей с микроиглами, которые содержат инсулин и которые принесут пользу людям с диабетом типа 1, а также с диабетом 2 типа. Он надеется, что из разработки этих устройств будут извлечены уроки, которые можно будет применить к пластырю с микроиглами, который его команда тестировала в этом исследовании.