När medicinsk utrustning implanteras i kroppen, immunsystemet attackerar dem ofta, producerar ärrvävnad runt enheten. Denna uppbyggnad av vävnad, känd som fibros, kan störa enhetens funktion.

MIT -forskare har nu kommit på ett nytt sätt att förhindra att fibros uppstår, genom att införliva ett kristalliserat immunsuppressivt läkemedel i anordningar. Efter implantation, läkemedlet utsöndras långsamt för att dämpa immunsvaret i området som omger enheten.

"Vi utvecklade en kristalliserad läkemedelsformulering som kan rikta in sig på de viktigaste aktörerna som är involverade i implantatavstötningen, undertrycka dem lokalt och låta enheten fungera i mer än ett år, "säger Shady Farah, en postdoc från MIT och Boston Children's Hospital och medförfattare till studien, som snart börjar en ny tjänst som biträdande professor vid Wolfson fakulteten för kemiteknik och Russell Berrie Nanotechnology Institute vid Technion-Israel Institute of Technology.

Forskarna visade att dessa kristaller dramatiskt kunde förbättra prestanda för inkapslade holme celler, som de utvecklar som en möjlig behandling för patienter med typ 1 -diabetes. Sådana kristaller kan också appliceras på en mängd andra implanterbara medicintekniska produkter, som pacemaker, stenter, eller sensorer.

Tidigare MIT postdoc Joshua Doloff, nu assisterande professor i biomedicinsk och materialvetenskaplig teknik och medlem av Translational Tissue Engineering Center vid Johns Hopkins University School of Medicine, är också huvudförfattare till tidningen, som visas i 24 juni -numret av Naturmaterial . Daniel Anderson, docent vid MIT:s avdelning för kemiteknik och medlem i MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science (IMES), är seniorförfattare till tidningen.

Kristallint läkemedel

Andersons laboratorium är en av många forskargrupper som arbetar med sätt att inkapsla holme celler och transplantera dem till diabetespatienter, i hopp om att sådana celler kan ersätta patienternas icke -fungerande bukspottkörtelceller och eliminera behovet av dagliga insulininjektioner.

Fibros är ett stort hinder för detta tillvägagångssätt, eftersom ärrvävnad kan blockera öcellernas tillgång till syre och näringsämnen. I en studie från 2017, Anderson och hans kollegor visade att systemisk administrering av ett läkemedel som blockerar cellreceptorer för ett protein som kallas CSF-1 kan förhindra fibros genom att undertrycka immunsvaret mot implanterade enheter. Detta läkemedel riktar sig mot immunceller som kallas makrofager, som är de primära cellerna som är ansvariga för att initiera inflammationen som leder till fibros.

"Det arbetet var inriktat på att identifiera nästa generations läkemedelsmål, nämligen vilka cell- och cytokinspelare som var avgörande för fibrotiskt svar, "säger Doloff, vem var huvudförfattare till den studien, som också involverade Farah. Han lägger till, "Efter att ha vetat vad vi var tvungna att rikta in för att blockera fibros, och screening av läkemedelskandidater som behövs för att göra det, vi var fortfarande tvungna att hitta ett sofistikerat sätt att uppnå lokal leverans och släppa så länge som möjligt. "

I den nya studien, forskarna bestämde sig för att hitta ett sätt att ladda läkemedlet direkt i en implanterbar enhet, att undvika att ge patienter läkemedel som skulle undertrycka hela deras immunsystem.

"Om du har en liten enhet implanterad i kroppen, du inte vill att hela kroppen ska utsättas för läkemedel som påverkar immunsystemet, och det är därför vi har varit intresserade av att skapa sätt att frigöra droger från själva enheten, Säger Anderson.

För att uppnå det, forskarna bestämde sig för att försöka kristallisera läkemedlen och sedan införliva dem i enheten. Detta gör att läkemedelsmolekylerna kan packas mycket tätt, så att den läkemedelsfrisättande anordningen kan miniatyriseras. En annan fördel är att det tar lång tid att lösa kristaller, möjliggör långsiktig läkemedelsleverans. Inte alla läkemedel kan lätt kristalliseras, men forskarna fann att CSF-1-receptorhämmaren de använde kan bilda kristaller och att de kan styra kristallernas storlek och form, som avgör hur lång tid det tar innan läkemedlet bryts ner en gång i kroppen.

"Vi visade att drogerna släpptes mycket långsamt och kontrollerat, "säger Farah." Vi tog dessa kristaller och lade dem i olika typer av enheter och visade att med hjälp av dessa kristaller, vi kan låta den medicinska enheten skyddas under lång tid, så att enheten kan fortsätta fungera. "

Inkapslade holme celler

För att testa om dessa läkemedel kristallina formuleringar kan öka effektiviteten hos inkapslade holme celler, forskarna införlivade läkemedelskristallerna i sfärer av alginat med 0,5 millimeter diameter, som de använde för att inkapsla cellerna. När dessa sfärer transplanterades in i buken eller under huden på diabetiska möss, de förblev fibrosfria i mer än ett år. Under denna tid, the mice did not need any insulin injections, as the islet cells were able to control their blood sugar levels just as the pancreas normally would.

"In the past three-plus years, our team has published seven papers in Natur journals—this being the seventh—elucidating the mechanisms of biocompatibility, "säger Robert Langer, David H. Koch Institute Professor vid MIT och författare till uppsatsen. "These include an understanding of the key cells and receptors involved, optimal implant geometries and physical locations in the body, and now, in this paper, specific molecules that can confer biocompatibility. Tagen tillsammans, we hope these papers will open the door to a new generation of biomedical implants to treat diabetes and other diseases."

The researchers believe that it should be possible to create crystals that last longer than those they studied in these experiments, by altering the structure and composition of the drug crystals. Such formulations could also be used to prevent fibrosis of other types of implantable devices. I den här studien, the researchers showed that crystalline drug could be incorporated into PDMS, a polymer frequently used for medical devices, and could also be used to coat components of a glucose sensor and an electrical muscle stimulation device, which include materials such as plastic and metal.

"It wasn't just useful for our islet cell therapy, but could also be useful to help get a number of different devices to work long-term, " Anderson says.

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.