Prof. David Gracias ist Direktor für Graduiertenstudien am Department of Chemical and Biomolecular Engineering der Johns Hopkins University. Er sprach mit Jason Goodyer, Chefredakteur des BBC Science Focus, über seine neueste Arbeit an bioinspirierten Mikrogeräten, die Medikamente direkt in den Magen-Darm-Trakt von Patienten abgeben können.
Sie haben die Technologie auf parasitären Hakenwürmern aufgebaut. Woher kam diese Idee
kommen aus?
Wir haben versucht, Medikamente durch den Magen-Darm-Trakt zu verabreichen, und das ist eine gewaltige Herausforderung, weil der Magen-Darm-Trakt eine Schleimhaut hat – eine Schleimschicht. Es ist wie ein Förderband, es bewegt sich ständig. Es bewegt sich und vergießt [Zellen] in verschiedenen Teilen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Wir sind es gewohnt, ein Pflaster zur kontrollierten Freisetzung auf der Außenseite des Körpers zu verwenden, aber wenn Sie ein ähnliches Pflaster auf der Innenseite anbringen, bleibt es nicht erhalten. Also dachten wir, nun, wie löst die Natur dieses Problem? Und wir wussten, dass es Würmer und andere Organismen gibt, die sich lange im Magen-Darm-Trakt ansiedeln und dort leben. Also fingen wir an, sie zu untersuchen. Sie graben sich in die Schleimhaut ein, also hatten wir diese neue Idee, das zu tun.
Wie groß sind die Theragripper und woraus bestehen sie?
Sie sind etwa einen Viertelmillimeter groß, also für das menschliche Auge kaum sichtbar. Und sie bestehen aus Metallen und Polymeren.
Wie haben Sie ihre Größe ausgewählt?
Wir optimieren es oft und es ist abhängig von der konkreten Anwendung. Größere Größen könnten potenziell mehr Medikamente speichern, aber sie werden invasiver. Die Menschen haben zentimetergroße Geräte hergestellt, riesige. Aber es besteht die Gefahr von Verstopfungen und anderen Problemen, daher ist kleiner unserer Meinung nach weniger aufdringlich. Aber dann brauchen wir mehr davon, um eine bestimmte Menge an zu liefernden Medikamenten zu erreichen.
Wie stellt man etwas so Winziges her?
Wir verwenden ähnliche Prozesse wie die Mikrochipindustrie, also werden sie auf Siliziumwafersubstraten hergestellt. Sie werden mit einem Verfahren namens Photolithographie hergestellt, das ein Standardarbeitstier in der Mikrofabrikation ist. Und auf diese Weise können wir Tausende von ihnen gleichzeitig auf einem Wafer herstellen, was es kostengünstig macht.
Wenn ein Patient sie eingenommen hat, wie setzen die Theragripper das Medikament frei?
Sie können entweder oral oder durch Einlauf eingenommen werden. Das Prinzip, nach dem sie arbeiten, ist wie eine gespannte Feder. Oder Sie können es sich als Mausefalle vorstellen. Anstelle einer Spiralfeder gibt es also dünne Filme, die unter Spannung stehen und sich lösen wollen. Aber die Idee ist dieselbe.
Wir beschränken sie, indem wir einen sogenannten Polymer-Trigger verwenden, und wir arbeiten mit verschiedenen Polymer-Triggern, um sie so herzustellen, dass wir den Polymer-Trigger auf die Umgebung um den Greifer abstimmen können. So verwenden wir beispielsweise in diesem vorliegenden Artikel einen temperaturabhängigen Auslöser. Wir kühlen sie und dann, weil sie kalt sind, hält der Temperaturauslöser sie flach. Wenn sie in unseren Tierversuchen in den Körper eindringen, gleichen sie sich thermisch mit dem Körper aus, der eine höhere Temperatur von etwa 37 °C hat, und das löst sie aus. Im Prinzip könnten Sie sie durch viele verschiedene spezifische Umgebungen im Körper auslösen, zum Beispiel pH-Wert oder Biomoleküle.
Wie haften sie nach dem Auslösen an der Schleimhaut?
Die Theragripper haben Klauen und die Klauen setzen eine beträchtliche Kraft frei und sie haften an. Das Medikament wird auf ein Pflaster geladen [im Inneren gehalten] und es diffundiert.
Warum ist es so wichtig, Systeme mit langsamer Freigabe zu haben?
Es gibt viele motivierende Faktoren für die Abgabe von Arzneimitteln mit verzögerter Freisetzung. Eine davon ist die Einhaltung. Zu Beginn des Artikels sprechen wir über die jährliche Verschwendung von 600 Milliarden US-Dollar aufgrund mangelhafter Therapietreue. Das bedeutet, dass Sie, wenn Sie eine Krankheit bekommen und Medikamente einnehmen müssen, möglicherweise vergessen, sie einzunehmen, oder dass Sie die Einnahme verpassen. Daher ist die Einhaltung und Einhaltung schwierig, und dies ist ein Motivationsfaktor. Wenn Sie ein System haben, das kontinuierlich ein Medikament freisetzt, müssen Sie nicht viele Dosen nehmen.
Der zweite ist, dass eine verzögerte Freisetzung einen gleichmäßigen Wirkstoffspiegel aufrechterhalten kann, anstatt viele Spitzen zu haben, zum Beispiel jedes Mal, wenn Sie eine Pille nehmen, bekommen Sie einen Sprung.
Und der letzte ist, dass wir in einer Welt leben, in der wir Bequemlichkeit wollen und uns um diese Dinge keine Sorgen machen wollen. Man sieht zum Beispiel bei Produkten wie dem Nikotinpflaster, dass die Leute es einfach aufkleben und es dann für den Rest des Tages vergessen können.
Welche Art von Erkrankungen können mit Theragrippers behandelt werden?
Wir schauen uns eine Vielzahl von Anwendungen an. In unserer gegenwärtigen Demonstration haben wir ein Schmerzmittel verwendet, aber wir prüfen andere Medikamente.
Was ist der aktuelle Stand und wohin möchten Sie als nächstes gehen?
In diesem neuen Bereich dynamischer, intelligenter Maschinen und Robotik herrscht viel Aufregung. Ich freue mich auf jeden Fall, Teil dieser Vision für die Zukunft der Medizin zu sein, die diese Idee fortschrittlicher Therapeutika darstellt. Wir haben diesen Begriff „Therapeutika mit aktiver Materie“ geprägt, [um diesen neuen Stil der Medizin zu beschreiben], und ich denke, dass dies das vorherrschende Paradigma für die nächsten Jahrzehnte sein wird, wenn wir die Medizin effizienter, sicherer und effektiver machen.“ P>
Es gibt zwei Wege, die wir versuchen voranzutreiben. Einer ist die technische Seite – wir prüfen die Verwendung von Kapseln und deren Einbringung in andere Körperteile. Welche Größen können wir verwenden? Welche Medikamente können wir laden? Es gibt eine Menge technischer Forschung, die wir planen. Auf der klinischen Seite möchten wir dies schließlich auf den Menschen übertragen. Es ist ein großer Sprung vom Labor zum Tier, was wir getan haben, aber es ist ein weiterer Sprung vom Tier zum Menschen, hauptsächlich aus Sicherheitsgründen.
Mein Mitarbeiter, Florin Selaru, ist praktizierender Gastroenterologe, daher ist dies eine großartige Partnerschaft, da ich hauptsächlich von der technischen Seite komme, aber er ist Arzt und führt tatsächlich viele Verfahren mit Patienten durch.