Ungefär var fjärde äldre vuxna lider av kronisk smärta. Många av dessa människor tar medicin, oftast som piller. Men detta är inte ett idealiskt sätt att behandla smärta:Patienter måste ta medicin ofta, och kan få biverkningar, eftersom innehållet i piller sprids genom blodomloppet till hela kroppen.

Nu har forskare vid MIT förfinat en teknik som kan göra det möjligt för smärtstillande medicin och andra läkemedel att släppas direkt till specifika delar av kroppen – och i jämna doser under en period på upp till 14 månader. Metoden använder biologiskt nedbrytbar, "tunna filmer" i nanoskala laddade med läkemedelsmolekyler som absorberas i kroppen i en inkrementell process.

"Det har varit svårt att utveckla något som släpper [medicin] i mer än ett par månader, säger Paula Hammond, David H. Koch professor i teknik vid MIT, och en medförfattare till ett nytt papper om förskottet. "Nu tittar vi på ett sätt att skapa en extremt tunn film eller beläggning som är väldigt tät med ett läkemedel, och ändå släpps ut med en konstant hastighet under mycket långa tidsperioder."

I tidningen, publiceras idag i Proceedings of the National Academy of Sciences , forskarna beskriver metoden som används i det nya läkemedelsleveranssystemet, vilket avsevärt överskrider frisättningstiden som uppnås av de flesta kommersiella bionedbrytbara filmer med kontrollerad frisättning.

"Du kan potentiellt implantera det och släppa läkemedlet i mer än ett år utan att behöva gå in och göra något åt ​​det, " säger Bryan Hsu PhD '14, som hjälpte till att utveckla projektet som doktorand i Hammonds labb. "Du behöver inte återställa det. Normalt för att få långtidsfrisättning av läkemedel, du behöver en reservoar eller enhet, något som kan hålla tillbaka drogen. Och det är vanligtvis inte nedbrytbart. Det kommer att släppa långsamt, men det kommer antingen sitta där och du har det främmande föremålet kvar i kroppen, eller så måste du återställa den."

Lager på lager

Tidningen var medförfattare av Hsu, Myoung-Hwan Park vid Shamyook University i Sydkorea, Samantha Hagerman '14, och Hammond, vars labb finns i Koch Institute for Integrative Cancer Research vid MIT.

Forskningsprojektet tar itu med ett svårt problem med lokaliserad läkemedelsleverans:Varje biologiskt nedbrytbar mekanism avsedd att frigöra ett läkemedel under en lång tidsperiod måste vara tillräckligt robust för att begränsa hydrolys, en process genom vilken kroppens vatten bryter ner bindningarna i en läkemedelsmolekyl. Om för mycket hydrolys sker för snabbt, läkemedlet kommer inte att förbli intakt under långa perioder i kroppen. Ändå måste läkemedelsfrisättningsmekanismen utformas så att en läkemedelsmolekyl gör det, faktiskt, sönderdelas i stadiga steg.

För att ta itu med detta, forskarna utvecklade vad de kallar en "lager-för-lager"-teknik, i vilka läkemedelsmolekyler är effektivt fästa på lager av tunnfilmsbeläggning. I detta specifika fall, forskarna använde diklofenak, ett icke-steroid antiinflammatoriskt läkemedel som ofta ordineras för artros och andra smärtor eller inflammatoriska tillstånd. De band sedan det till tunna lager av poly-L-glutamatsyra, som består av en aminosyra som kroppen återupptager, och två andra organiska föreningar. Filmen kan appliceras på nedbrytbara nanopartiklar för injektion på lokala platser eller användas för att belägga permanenta enheter, såsom ortopediska implantat.

I tester, forskargruppen fann att diklofenak frisattes stadigt under 14 månader. Eftersom effektiviteten av smärtstillande medicin är subjektiv, de utvärderade metodens effektivitet genom att se hur väl diklofenak blockerade aktiviteten av cyklooxygenas (COX), ett enzym som är centralt för inflammation i kroppen.

"Vi upptäckte att den förblir aktiv efter att den släppts, "Hsu säger, vilket innebär att den nya metoden inte skadar läkemedlets effekt. Eller, som tidningen noterar, skikt-för-skikt-metoden gav "avsevärd COX-hämning på en liknande nivå" som piller.

Metoden gör det också möjligt för forskarna att justera mängden av läkemedlet som levereras, huvudsakligen genom att lägga till fler lager av den ultratunna beläggningen.

En hållbar strategi för många läkemedel

Hammond och Hsu noterar att tekniken kan användas för andra typer av medicinering; en sjukdom som tuberkulos, till exempel, kräver minst sex månaders läkemedelsbehandling.

"Det är inte bara lönsamt för diklofenak, "Hsu säger. "Denna strategi kan tillämpas på ett antal läkemedel."

Verkligen, andra forskare som har tittat på tidningen säger att den potentiella medicinska mångsidigheten hos tunnfilmstekniken är av stort intresse.

"Jag tycker att det är väldigt spännande eftersom det är allmänt tillämpligt på många system, " säger Kathryn Uhrich, professor vid institutionen för kemi och kemisk biologi vid Rutgers University, och tillägger att forskningen är "verkligen ett trevligt arbete."

För att vara säker, i varje fall, forskare måste ta reda på hur man bäst binder läkemedelsmolekylen i fråga till en biologiskt nedbrytbar tunnfilmsbeläggning. Nästa steg för forskarna inkluderar studier för att optimera dessa egenskaper i olika kroppsmiljöer och fler tester, kanske med mediciner mot både kronisk smärta och inflammation.

En stor motivation för arbetet, Hammond noterar, är "hela idén att vi skulle kunna designa något med hjälp av den här typen av tillvägagångssätt som skulle kunna skapa en [enklare] livsstil" för personer med kronisk smärta och inflammation.

Hsu och Hammond var involverade i alla aspekter av projektet och skrev tidningen, medan Hagerman och Park hjälpte till att utföra forskningen, och Park hjälpte till att analysera data.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.