(Phys.org) – I en ny studie, en "bioadhesiv" beläggning utvecklad vid Brown University förbättrade avsevärt tarmens absorption i blodet av nanopartiklar som en dag skulle kunna bära proteinläkemedel som insulin. Ett sådant steg är nödvändigt för droger som tas via munnen, snarare än att injiceras direkt i blodet.

För proteinbaserade läkemedel som insulin som ska tas oralt istället för att injiceras, bioingenjörer måste hitta ett sätt att transportera dem säkert genom magen till tunntarmen där de kan absorberas och distribueras av blodomloppet. Framstegen har gått långsamt, men i en ny studie, forskare rapporterar om ett viktigt tekniskt framsteg:De visar att en "bioadhesiv" beläggning avsevärt ökade tarmens upptag av polymernanopartiklar hos råttor och att nanopartiklarna levererades till vävnader runt om i kroppen på ett sätt som potentiellt skulle kunna kontrolleras.

"Resultaten av dessa studier ger starkt stöd för användningen av bioadhesiva polymerer för att förbättra nano- och mikropartikelupptaget från tunntarmen för oral läkemedelstillförsel, " skrev forskarna i Journal of Controlled Release , ledd av motsvarande författare Edith Mathiowitz, professor i medicinsk vetenskap vid Brown University.

Mathiowitz, som undervisar vid Browns avdelning för molekylär farmakologi, Fysiologi, och bioteknik, har arbetat i mer än ett decennium med att utveckla bioadhesiva beläggningar som kan få nanopartiklar att fastna på slemhinnan i tarmen så att de tas upp i dess epitelceller och överförs till blodomloppet. Tanken är att proteinbaserade läkemedel skulle bäras i nanopartiklarna.

I den nya studien, som dök upp online den 21 juni, Mathiowitz satte en av hennes mest lovande beläggningar, en kemikalie som kallas PBMAD, till test både på labbbänken och i djurmodeller. Mathiowitz och hennes kollegor har ansökt om patent relaterat till arbetet, som skulle tilldelas Brown University.

I tidigare experiment, Mathiowitz och hennes grupp har inte bara visat att PBMAD har bioadhesiva egenskaper, men också att det tål den sura miljön i magen och sedan löses upp i tunntarmens högre pH.

Ansluta sig, absorbera, anlända

De nyligen publicerade resultaten fokuserade på frågan om hur många partiklar, oavsett om den är belagd med PBMAD eller inte, skulle tas upp av tarmen och distribueras till vävnader. För enklare spårning i hela kroppen, Mathiowitz team använde avsiktligt experimentella och kontrollpartiklar gjorda av material som kroppen inte skulle bryta ner. Eftersom de var "icke eroderbara" bar partiklarna ingen medicin.

Forskarna använde partiklar cirka 500 nanometer i diameter gjorda av två olika material:polystyren, som fäster ganska bra på tarmens slemhinna, och en annan plast som heter PMMA, det gör det inte. De belade några av PMMA-partiklarna i PBMAD, för att se om den bioadhesiva beläggningen kan få PMMA-partiklar att fästa mer tillförlitligt i tarmen och sedan absorberas.

Först laget, inklusive författarna Joshua Reineke från Wayne State University och Daniel Cho från Brown, utförde grundläggande bänktester för att se hur väl varje sorts partiklar vidhäftade. De PBMAD-belagda partiklarna visade sig ha den starkaste klibbigheten till tarmvävnad, binder mer än dubbelt så starkt som de obelagda PMMA-partiklarna och cirka 1,5 gånger så starkt som polystyrenpartiklarna.

Huvudexperimentet, dock, involverade att injicera doser av de olika partiklarna i tarmarna på råttor för att se om de skulle absorberas och var de som tagits upp kunde hittas fem timmar senare. Vissa råttor fick en dos av polystyrenpartiklarna, några fick den obelagda PMMA och några fick de PBMAD-belagda PMMA-partiklarna.

Mätningar visade att råttorna absorberade 66,9 procent av de PBMAD-belagda partiklarna, 45,8 procent av polystyrenpartiklarna och endast 1,9 procent av de obelagda PMMA-partiklarna.

Under tiden, de olika partiklarna hade väldigt olika distributionsprofiler runt kroppen. Mer än 80 procent av polystyrenpartiklarna som absorberades gick till levern och ytterligare 10 procent gick till njurarna. PMMA-partiklarna, belagd eller inte, hittade sin väg till ett mycket bredare utbud av vävnader, fast i olika distributioner. Till exempel, de PBMAD-belagda partiklarna var mycket mer benägna att nå hjärtat, medan de obelagda var mycket mer benägna att nå hjärnan.

Farmaceutisk potential

Det uppenbara faktum att de olika ytegenskaperna hos partiklarna av liknande storlek hade så distinkta fördelningar i råttornas vävnader efter samma femtimmarsperiod tyder på att forskare kunde lära sig att ställa in partiklar för att nå specifika delar av kroppen, huvudsakligen inriktat på doser av läkemedel som tas oralt, sade Mathiowitz.

"Fördelningen i kroppen kan på något sätt styras med vilken typ av polymer du använder, " Hon sa.

Tills vidare, hon och hennes grupp har arbetat hårt för att fastställa biofysiken för hur de PBMAD-belagda partiklarna tas upp av tarmarna. Mer arbete måste också göras, till exempel för att visa faktisk leverans av proteinbaserade läkemedel i tillräcklig mängd till vävnader där de behövs.

Men Mathiowitz sa att de nya resultaten ger henne ett stort självförtroende.

"Vad detta betyder nu är att om jag belägger bioeroderbara nanopartiklar korrekt, Jag kan förbättra deras upptag, ", sade hon. "Bioeroderbara nanopartiklar är vad vi i slutändan skulle vilja använda för att leverera proteiner. Frågan vi tar upp i detta dokument är hur mycket vi kan leverera. Siffrorna vi såg gör målet mer genomförbart."

En annan gräns för leverans av nanopartiklar är att ta fram en säker metod för att tillverka nanopartiklar, Mathiowitz sa, men, "vi har redan utvecklat säkra och reproducerbara metoder för att kapsla in proteiner i små nanopartiklar utan att kompromissa med deras biologiska aktivitet."