Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat insulinnanopartiklar som en dag kan bli grunden för ett oralt läkemedel, och ett alternativ till insulininjektioner för diabetespatienter.

I en preklinisk studie, NTU Singapore-teamet matade råttor med insulininnehållande nanopartiklar och fann att insulinet ökade i deras blod minuter senare.

Insulinbehandling är ofta en viktig del av behandlingen för diabetes, en metabolisk sjukdom som drabbar 422 miljoner människor globalt. I Singapore, antalet diabetiker förväntas växa till 1 miljon – nästan en femtedel av befolkningen – år 2050.

Att tillföra insulin oralt skulle vara att föredra framför insulinstick för patienter eftersom det orsakar mindre smärta än stickningar, och skulle därmed kunna leda till förbättrad patientefterlevnad. Men oral dosering är fortfarande en utmaning. Eftersom insulin är ett protein, det bryts ner i mag-tarmkanalen innan det ens når blodomloppet för att reglera blodsockret.

För att övervinna denna utmaning, det tvärvetenskapliga teamet bestående av forskare från NTU:s School of Materials Science and Engineering och Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine) designade en nanopartikel laddad med insulin i kärnan, sedan belagd med omväxlande lager av insulin och kitosan, ett naturligt socker. Dosering uppnås genom att kontrollera antalet lager i nanopartikeln.

Genom labbexperiment med cellkulturer och råttmodeller, teamet som leds av NTU:s forskningsstipendiat Dr. Huang Yingying, Docent Yusuf Ali och tidigare NTU-professor Subbu Venkatraman, visat att denna lager-för-lager-belagda nanopartikel är stabil när den passerar genom magen in i tunntarmen med minimal insulinfrisättning, och kan passera genom tarmväggarna in i blodomloppet.

Dr Huang Yingying från School of Materials Science and Engineering vid NTU, studiens medförfattare, sa:"Ansträngningar att utveckla orala insulinprodukter har haft liten framgång eftersom dessa produkter antingen medför en säkerhetsrisk, eller kräver frekventa doser på grund av läkemedlets förmåga att endast innehålla en liten mängd insulin. Testerna av vår NTU-utvecklade insulinnanopartikel på råttor visar att den kan bära en tillräckligt stor mängd insulin för önskad terapeutisk effekt och samtidigt är tillräckligt liten för att passera tarmväggarna ut i blodomloppet. Detta indikerar dess potentiella tillämpning för oral insulintillförsel hos människor. Vi tror att samma koncept också kan vara användbart för andra proteinläkemedel som normalt måste injiceras."

Docent Yusuf Ali från NTU LKCMedicine, studiens medförfattare, sa:"Insulin administreras nu under huden med en fin nål flera gånger om dagen, beroende på formuleringen. Förutom smärtan och besväret, dessa stickningar kommer också med en risk för att patienter inte är medvetna om sin låga blodsockernivå, som kan utvecklas till ett potentiellt dödligt tillstånd hos en diabetiker. LKCMedicine tar nu utvecklingen av denna nanopartikel framåt med mer prekliniskt arbete, och vi är hoppfulla att vårt arbete en dag kan ersätta smärtsamma insulininjektioner med ett enkelt och litet piller."

Resultaten publicerades i den vetenskapliga tidskriften Nanoskala i november.

En flerskiktsmetod för oral insulintillförsel

Insulin är ett naturligt förekommande hormon som är avgörande för reglering av blodsockernivåer, speciellt efter en måltid.

Hos friska individer, insulin som produceras i bukspottkörteln kommer in i blodomloppet och distribueras till viktiga metaboliska organ. Det instruerar levern, muskler, och fettceller för att ta upp mer glukos från blodomloppet och lagra det för framtida bruk.

På samma gång, insulin knuffar levern för att sänka hastigheten för ny glukosproduktion, och totalt, dessa tjänar till att effektivt minska blodsockernivåerna.

I kontrast, Diabetespatienter producerar inte tillräckligt med insulin för att möta kroppens behov. In serious cases, insulin needs to be given via a needle into the fatty tissue beneath the skin. From there, it goes into the general blood circulation throughout the body before traveling to the liver.

The NTU-developed oral insulin nanoparticle more closely mimics the route by which natural insulin enters the bloodstream from the liver, an important organ for controlling blood glucose levels.

Each of these nanoparticles is about 200nm in size—at least 1, 000 times smaller than a pollen grain. Insulin is first loaded into the liposome, a tiny sphere at the core of the nanoparticle. The liposome is then coated with 11 alternating layers of insulin and chitosan of three different molecular weights, an approach that allows more insulin to be loaded.

When the insulin nanoparticle enters an acidic environment of the stomach, its layers start to repel each other, resulting in the slow release of insulin from the outermost layer, and leading inwards. While it loses some insulin as it travels down the gastrointestinal tract, the nanoparticle has enough coatings that by the time it is transported through the intestinal wall and into the bloodstream, the insulin in the remaining layers and at the liposome core is still intact.

Proof-of-concept study

To investigate the feasibility of the insulin nanoparticle for oral delivery, the NTU team first conducted a series of lab experiments to establish the nanoparticle's stability, its ability to pass through the intestinal wall, and the efficacy of the insulin in the nanoparticles that have been transported through the intestinal wall.

After leaving the nanoparticles in fluid that simulates the stomach environment, the team found that 6 percent of the insulin from the nanoparticle was released in one hour, and 94 percent remained encapsulated. It takes about one hour for food to pass through the stomach and into the small intestine, which has a less harsh environment.

When tested on the human cell line Caco-2—a widely used model for studying the transport of molecules across the intestinal wall—the scientists found that the amount of insulin transported across was three times higher when loaded into the nanoparticle, compared to bare insulin solution.

The scientists also tested the rate at which nanoparticle insulin is absorbed and cleared in the bloodstream of rats. In rats fed orally with insulin nanoparticles, the insulin concentration in the blood peaked at the 30-minute mark and was entirely eliminated in four hours.

Assoc Prof Yusuf Ali said:"Taken together, these lab experiments showed that our layer-by-layer approach limited the exposure of insulin to the gastrointestinal environment, preventing premature degradation of the insulin. We are now studying if this peak comes earlier than the 30-minute mark—an indicator of how closely the insulin from our nanoparticle follows the ebb and flow of naturally-produced insulin in the bloodstream."

The rapid absorption and elimination of insulin released from these multi-layered nanoparticles demonstrates a proof of concept in replicating meal-related metabolic responses in individuals without diabetes, said Dr. Huang, adding that the level of insulin concentration can be further increased by repeating the number of alternating insulin and chitosan layers on the nanoparticle surface.