Inspirados en la forma en que los calamares utilizan chorros para impulsarse a través del océano y disparar nubes de tinta, investigadores del MIT y Novo Nordisk han desarrollado una cápsula ingerible que libera una ráfaga de medicamentos directamente en la pared del estómago u otros órganos del tracto digestivo.
Esta cápsula podría ofrecer una forma alternativa de administrar medicamentos que normalmente deben inyectarse, como la insulina y otras proteínas grandes, incluidos los anticuerpos.
Esta estrategia sin agujas también podría utilizarse para administrar ARN, ya sea como vacuna o como molécula terapéutica para tratar la diabetes, la obesidad y otros trastornos metabólicos.
“Uno de los desafíos que hemos estado explorando durante mucho tiempo es el desarrollo de sistemas que permitan la administración oral de macromoléculas que normalmente requieren una inyección para su administración.
Este trabajo representa uno de los próximos avances importantes en esa dirección”, afirma Giovanni Traverso.
El Dr. es director del Laboratorio de Ingeniería Traslacional y profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT, gastroenterólogo en el Brigham and Women’s Hospital, miembro asociado del Broad Institute y autor principal del estudio.
Traverso y sus estudiantes del MIT desarrollaron la nueva cápsula junto con investigadores del Brigham and Women’s Hospital y Novo Nordisk.
Graham Arrick SM ’20 y los científicos de Novo Nordisk Drago Sticker y Aghiad Ghazal son los autores principales del artículo publicado en Nature .
Inspirado en los cefalópodos
Los medicamentos que consisten en proteínas grandes o ARN normalmente no se pueden tomar por vía oral porque se descomponen fácilmente en el tracto digestivo.
Durante varios años, el laboratorio de Traverso ha estado trabajando en formas de administrar dichos medicamentos por vía oral encapsulándolos en pequeños dispositivos que los protegen de la degradación y luego inyectándolos directamente en el revestimiento del tracto digestivo.
La mayoría de estas cápsulas utilizan una pequeña aguja o un conjunto de microagujas para administrar los medicamentos una vez que el dispositivo llega al tracto digestivo.
En el nuevo estudio, Traverso y sus colegas querían explorar formas de administrar estas moléculas sin ningún tipo de aguja, lo que podría reducir la posibilidad de cualquier daño al tejido.
Para lograrlo, se inspiraron en los cefalópodos. Los calamares y los pulpos pueden impulsarse llenando su cavidad del manto con agua y luego expulsándola rápidamente a través de su sifón.
Al cambiar la fuerza de expulsión del agua y apuntando el sifón en diferentes direcciones, los animales pueden controlar su velocidad y dirección de viaje.
El órgano del sifón también permite a los cefalópodos disparar chorros de tinta, formando nubes señuelo para distraer a los depredadores.
Los investigadores idearon dos formas de imitar esta acción de expulsión: usar dióxido de carbono comprimido o resortes fuertemente enrollados para generar la fuerza necesaria para expulsar los medicamentos líquidos de la cápsula.
El gas o resorte se mantiene en estado comprimido mediante un gatillo de carbohidratos, que está diseñado para disolverse cuando se expone a la humedad o a un entorno ácido como el estómago.
Cuando el gatillo se disuelve, el gas o resorte se expande, expulsando un chorro de medicamentos fuera de la cápsula.
En una serie de experimentos utilizando tejido del tracto digestivo, los investigadores calcularon las presiones necesarias para expulsar los medicamentos con suficiente fuerza para que penetraran en el tejido submucoso y se acumularan allí, creando un depósito que luego liberaría los medicamentos en el tejido.
“Además de la eliminación de objetos punzantes, otra posible ventaja de los chorros en columna de alta velocidad es su resistencia a los problemas de localización.
A diferencia de una aguja pequeña, que necesita tener un contacto íntimo con el tejido, nuestros experimentos indicaron que un chorro puede ser capaz de administrar la mayor parte de la dosis desde la distancia o en un ligero ángulo”, afirma Arrick.
Los investigadores también diseñaron las cápsulas para que pudieran dirigirse a diferentes partes del tracto digestivo.
Una versión de la cápsula, que tiene un fondo plano y una cúpula alta, puede colocarse sobre una superficie, como el revestimiento del estómago, y expulsar el fármaco hacia abajo, hacia el tejido.
Esta cápsula, que se inspiró en una investigación previa del laboratorio de Traverso sobre cápsulas autoorientables, tiene aproximadamente el tamaño de un arándano y puede contener 80 microlitros de fármaco.
La segunda versión tiene forma de tubo, lo que le permite alinearse dentro de un órgano tubular largo, como el esófago o el intestino delgado. En ese caso, el fármaco se expulsa hacia la pared lateral, en lugar de hacia abajo. Esta versión puede administrar 200 microlitros de fármaco.
Las cápsulas, hechas de metal y plástico, pueden pasar a través del tracto digestivo y se excretan después de liberar su carga farmacológica.
Entrega de medicamentos sin agujas
En pruebas con animales, los investigadores demostraron que podían utilizar estas cápsulas para administrar insulina, un agonista del receptor GLP-1 similar al fármaco para la diabetes Ozempic, y un tipo de ARN llamado ARN interferente corto (siRNA).
Este tipo de ARN puede utilizarse para silenciar genes, lo que lo hace potencialmente útil para tratar muchos trastornos genéticos.
También demostraron que la concentración de los fármacos en el torrente sanguíneo de los animales alcanzó niveles del mismo orden de magnitud que los observados cuando los fármacos se inyectaron con una jeringa, y no detectaron ningún daño tisular.
Los investigadores prevén que la cápsula ingerible podría ser utilizada en casa por pacientes que necesitan tomar insulina u otros medicamentos inyectables con frecuencia. Además de facilitar la administración de medicamentos, especialmente para pacientes a los que no les gustan las agujas, este enfoque también elimina la necesidad de desechar agujas afiladas.
Los investigadores también crearon y probaron una versión del dispositivo que podría conectarse a un endoscopio, lo que permitiría a los médicos usarlo en una sala de endoscopia o en un quirófano para administrar medicamentos a un paciente.
“Esta tecnología supone un gran avance en la administración oral de fármacos de macromoléculas como la insulina y los agonistas del GLP-1.
Aunque en el pasado se han probado muchos métodos de administración oral de fármacos, tienden a ser poco eficientes a la hora de lograr una biodisponibilidad elevada.
En este estudio, los investigadores demuestran la capacidad de proporcionar biodisponibilidad en modelos animales con gran eficiencia.
Se trata de un método interesante que podría tener un gran impacto en muchos productos biológicos que actualmente se administran mediante inyecciones o infusiones intravasculares”, afirma Omid Veiseh, profesor de bioingeniería en la Universidad Rice, que no participó en la investigación.
Los investigadores ahora planean seguir desarrollando las cápsulas, con la esperanza de probarlas en humanos.
La investigación fue financiada por Novo Nordisk, el Consejo de Investigación en Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá, el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, el Hospital Brigham and Women’s y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada para la Salud de Estados Unidos.
