Läkemedel som levereras av nanopartiklar lovar målinriktad behandling av många sjukdomar, inklusive cancer. Dock, partiklarna måste injiceras i patienter, vilket har begränsat deras användbarhet hittills.

Nu, forskare från MIT och Brigham and Women's Hospital (BWH) har utvecklat en ny typ av nanopartiklar som kan levereras oralt och absorberas genom matsmältningskanalen, att låta patienterna helt enkelt ta ett piller istället för att få injektioner.

I en tidning som visas i onlineupplagan den 27 november av Vetenskap translationell medicin , forskarna använde partiklarna för att visa oral leverans av insulin hos möss, men de säger att partiklarna kan användas för att bära vilken typ av läkemedel som helst som kan kapslas in i en nanopartikel. De nya nanopartiklarna är belagda med antikroppar som fungerar som en nyckel för att låsa upp receptorer som finns på ytorna av celler som kantar tarmen, låter nanopartiklarna bryta igenom tarmväggarna och komma in i blodomloppet.

Denna typ av läkemedelsleverans kan vara särskilt användbar för att utveckla nya behandlingar för tillstånd som högt kolesterol eller artrit. Patienter med dessa sjukdomar skulle vara mycket mer benägna att ta piller regelbundet än att göra frekventa besök på läkarmottagningen för att få nanopartikelinjektioner, säger forskarna.

"Om du var en patient och du hade ett val, Det är bara ingen fråga:Patienter skulle alltid föredra läkemedel de kan ta oralt, säger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT, medlem av MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research, och en författare till Vetenskap translationell medicin papper.

Huvudförfattare av tidningen är tidigare MIT-student Eric Pridgen och tidigare BWH postdoc Frank Alexis, och senior författare är Omid Farokhzad, chef för Laboratoriet för nanomedicin och biomaterial vid BWH. Andra författare är Timothy Kuo, en gastroenterolog vid BWH; Etgar Levy-Nissenbaum, en tidigare BWH postdoc; Rohit Karnik, en MIT docent i maskinteknik; och Richard Blumberg, meddirektör för BWH:s biomedicinska forskningsinstitut.

Inga fler injektioner

Flera typer av nanopartiklar som bär kemoterapiläkemedel eller kort störande RNA, som kan stänga av utvalda gener, är nu i kliniska prövningar för att behandla cancer och andra sjukdomar. Dessa partiklar utnyttjar det faktum att tumörer och andra sjuka vävnader är omgivna av läckande blodkärl. Efter att partiklarna har injicerats intravenöst i patienter, de sipprar igenom de läckande kärlen och släpper sin nyttolast vid tumörplatsen.

För att nanopartiklar ska tas oralt, de måste kunna ta sig igenom tarmslemhinnan, som är gjord av ett lager av epitelceller som går samman för att bilda ogenomträngliga barriärer som kallas täta förbindelser.

"Nyckelutmaningen är hur man får en nanopartikel att ta sig igenom denna barriär av celler. Närhelst celler vill bilda en barriär, de gör dessa vidhäftningar från cell till cell, analogt med en tegelvägg där tegelstenarna är cellerna och murbruket är fästena, och ingenting kan tränga in i den väggen, " säger Farokhzad.

Forskare har tidigare försökt bryta igenom denna vägg genom att tillfälligt störa de snäva korsningarna, släpper igenom droger. Dock, detta tillvägagångssätt kan ha oönskade biverkningar eftersom när barriärerna bryts, skadliga bakterier kan också ta sig igenom.

För att bygga nanopartiklar som selektivt kan bryta igenom barriären, forskarna utnyttjade tidigare arbete som avslöjade hur spädbarn absorberar antikroppar från sin modersmjölk, stärka sitt eget immunförsvar. Dessa antikroppar griper tag i en cellytereceptor som kallas FcRN, ge dem tillgång genom cellerna i tarmslemhinnan till intilliggande blodkärl.

Forskarna täckte sina nanopartiklar med Fc-proteiner - den del av antikroppen som binder till FcRN-receptorn, som även finns i vuxna tarmceller. Nanopartiklarna, gjord av en biokompatibel polymer som kallas PLA-PEG, kan bära en stor drognyttolast, som insulin, i deras kärna.

Efter att partiklarna har intagits, the Fc proteins grab on to the FcRN in the intestinal lining and gain entry, bringing the entire nanoparticle along with them.

"It illustrates a very general concept where we can use these receptors to traffic nanoparticles that could contain pretty much anything. Any molecule that has difficulty crossing the barrier could be loaded in the nanoparticle and trafficked across, " Karnik says.

Breaking through barriers

I den här studien, the researchers demonstrated oral delivery of insulin in mice. Nanoparticles coated with Fc proteins reached the bloodstream 11-fold more efficiently than equivalent nanoparticles without the coating. Vidare, the amount of insulin delivered was large enough to lower the mice's blood sugar levels.

The researchers now hope to apply the same principles to designing nanoparticles that can cross other barriers, such as the blood-brain barrier, which prevents many drugs from reaching the brain.

"If you can penetrate the mucosa in the intestine, maybe next you can penetrate the mucosa in the lungs, maybe the blood-brain barrier, maybe the placental barrier, " Farokhzad says.

They are also working on optimizing drug release from the nanoparticles in preparation for further animal tests, either with insulin or other drugs.