Mikropartiklar erbjuder ett lovande sätt att leverera flera doser av ett läkemedel eller vaccin på en gång, eftersom de kan utformas för att frigöra sin nyttolast med specifika intervall. Dock, partiklarna, som är ungefär lika stora som ett sandkorn, kan vara svårt att injicera eftersom de kan bli igensatta i en typisk spruta.

MIT -forskare har nu utvecklat en beräkningsmodell som kan hjälpa dem att förbättra injicerbarheten hos sådana mikropartiklar och förhindra igensättning. Modellen analyserar en mängd olika faktorer, inklusive partiklarnas storlek och form, för att bestämma en optimal design för injicerbarhet.

Med denna modell, forskarna kunde uppnå en sexfaldig ökning av andelen mikropartiklar som de lyckades injicera. De hoppas nu kunna använda modellen för att utveckla och testa mikropartiklar som kan användas för att leverera immunterapi mot cancer, bland andra potentiella applikationer.

"Detta är en ram som kan hjälpa oss med några av de tekniker som vi har utvecklat i laboratoriet och som vi försöker komma in på kliniken, "säger Ana Jaklenec, forskare vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research.

Jaklenec och Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT, är seniorförfattarna till studien, som visas idag i Vetenskapliga framsteg . Tidningens huvudförfattare är MIT -doktoranden Morteza Sarmadi.

Mikropartikelmodell

Mikropartiklar varierar i storlek från 1 till 1, 000 mikron (miljondelar av en meter). Många forskare arbetar med att använda mikropartiklar av polymerer och annat material för att leverera läkemedel, och ett tiotal sådana läkemedelsformuleringar har godkänts av FDA. Dock, andra har misslyckats på grund av svårigheten att injicera dem.

"Den största frågan är igensättning, någonstans i systemet, som inte tillåter att hela dosen levereras, "Jaklenec säger." Många av dessa läkemedel gör det inte tidigare utveckling på grund av utmaningarna med injicerbarhet. "

Sådana läkemedel injiceras vanligtvis intravenöst eller under huden. Att se till att dessa läkemedel framgångsrikt når sina destinationer är ett viktigt steg i läkemedelsutvecklingsprocessen, men det är en som ofta görs sist, och kan motverka en annars lovande behandling, Sarmadi säger.

"Injicerbarhet är en viktig faktor för hur framgångsrik ett läkemedel kommer att bli, men lite uppmärksamhet har ägnats åt att försöka förbättra administrationstekniker, "säger han." Vi hoppas att vårt arbete kan förbättra den kliniska översättningen av nya och avancerade läkemedelsformuleringar med kontrollerad frisättning. "

Langer och Jaklenec har arbetat med att utveckla ihåliga mikropartiklar som kan fyllas med flera doser av ett läkemedel eller vaccin. Dessa partiklar kan utformas för att frigöra sin nyttolast vid olika tidpunkter, vilket kan eliminera behovet av flera injektioner.

För att förbättra injicerbarheten hos dessa och andra mikropartiklar, forskarna analyserade experimentellt effekterna av att ändra storlek och form på mikropartiklarna, viskositeten för lösningen i vilken de är suspenderade, och storleken och formen på sprutan och nålen som används för att leverera dem. De testade kuber, sfärer, och cylindriska partiklar av olika storlekar, och mätte injicerbarheten för var och en.

Forskarna använde sedan dessa data för att träna en typ av beräkningsmodell som kallas ett neuralt nätverk för att förutsäga hur var och en av dessa parametrar påverkar injicerbarheten. De viktigaste faktorerna visade sig vara partikelstorlek, partikelkoncentration i lösningen, lösningens viskositet, och nålstorlek. Forskare som arbetar med läkemedelslevererande mikropartiklar kan helt enkelt mata in dessa parametrar i modellen och få en förutsägelse om hur injicerbara deras partiklar kommer att vara, spara tid de skulle ha behövt lägga ner på att bygga olika versioner av partiklarna och testa dem experimentellt.

"Istället för att gå igenom experimenten, och går fram och tillbaka, har ingen aning om hur framgångsrikt systemet kommer att bli, du kan använda detta neurala nätverk och det kan vägleda dig, tidigt på, att ha förståelse för systemet, "Säger Sarmadi.

Injicerbarhet boost

Forskarna använde också sin modell för att utforska hur förändring av sprutans form kan påverka injicerbarheten. De kom med en optimal form som liknar ett munstycke, med en bred diameter som avsmalnar mot spetsen. Med denna sprutdesign, forskarna testade injicerbarheten hos mikropartiklarna som de beskrev under 2017 Vetenskap studie, och fann att de ökade andelen partiklar som levererades från 15 procent till nästan 90 procent.

"Detta är ett annat sätt att maximera krafterna som verkar på partiklarna och pressar partiklarna mot nålen, "Sarmadi säger." Det är ett lovande resultat som visar att det finns stort utrymme för förbättringar av injicerbarheten hos mikropartikelsystem. "

Forskarna arbetar nu med att designa optimerade system för att leverera immunterapimedicin mot cancer, som kan hjälpa till att stimulera ett immunsvar som förstör tumörceller. De tror att dessa typer av mikropartiklar också kan användas för att leverera en mängd olika vacciner eller läkemedel, inklusive småmolekylära läkemedel och biologiska ämnen, som inkluderar stora molekyler såsom proteiner.