Una cápsula bioinspirada bombea fármacos directamente a las paredes del tracto gastrointestinal
El dispositivo, que no necesita agujas, podría utilizarse para administrar insulina, anticuerpos, ARN u otras moléculas de gran tamaño por el tubo digestivo.
Por Anne Trafton / MIT News
El diseño del nuevo dispositivo se inspiró en los calamares y pulpos, que pueden impulsarse llenando la cavidad de su manto con agua y luego expulsarla rápidamente a través de su sifón. Crédito: Cortesía de los investigadores
Inspirándose en el modo en que los calamares utilizan los chorros para propulsarse por el océano y disparar nubes de tinta, investigadores del MIT y Novo Nordisk han desarrollado una cápsula ingerible que libera una ráfaga de fármacos directamente en la pared del estómago u otros órganos del tubo digestivo.
Esta cápsula podría ofrecer una forma alternativa de administrar fármacos que normalmente hay que inyectar, como la insulina y otras proteínas de gran tamaño, 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 retos que llevamos tiempo explorando es el desarrollo de sistemas que permitan la administración oral de macromoléculas que normalmente requieren una inyección para ser administradas. Este trabajo representa uno de los próximos grandes avances en esa progresión», afirma Giovanni Traverso, director del Laboratorio de Ingeniería Traslacional y profesor asociado de Ingeniería Mecánica del MIT, gastroenterólogo del Hospital Brigham and Women's, miembro asociado del Instituto Broad y autor principal del estudio.
Nada de agujas
Traverso y sus alumnos del MIT desarrollaron la nueva cápsula junto con investigadores del Brigham and Women's Hospital y Novo Nordisk. Graham Arrick, de veinte años, y los científicos de Novo Nordisk Drago Sticker y Aghiad Ghazal son los autores principales del artículo, que se publica en Nature.
Los fármacos compuestos por grandes proteínas o ARN no suelen poder administrarse por vía oral, porque se descomponen fácilmente en el tubo digestivo. Desde hace varios años, el laboratorio de Traverso trabaja en formas de administrar estos medicamentos por vía oral encapsulándolos en pequeños dispositivos que los protegen de la degradación y luego los inyectan directamente en el revestimiento del tubo digestivo.
La mayoría de estas cápsulas utilizan una pequeña aguja o un conjunto de microagujas para administrar los fármacos una vez que el dispositivo llega al tubo digestivo. En el nuevo estudio, Traverso y sus colegas querían explorar otras maneras de administrar estas moléculas sin ningún tipo de aguja, lo que podría reducir la posibilidad de cualquier daño al tejido.
Imitando a calamares y pulpos
Para lograrlo, se inspiraron en los cefalópodos. Los calamares y los pulpos se propulsan llenando de agua la cavidad de su manto y expulsándola rápidamente por el sifón. Cambiando la fuerza de expulsión del agua y orientando el sifón en distintas direcciones, estos animales pueden controlar su velocidad y dirección de desplazamiento. El órgano del sifón también permite a los cefalópodos lanzar chorros de tinta, que forman nubes que hacen de señuelo para distraer a los depredadores.
Los investigadores idearon dos formas de imitar esta acción de lanzar chorros: con dióxido de carbono comprimido y con muelles fuertemente enrollados para generar la fuerza necesaria capaz de propulsar los fármacos líquidos fuera de la cápsula. El gas o el muelle se mantienen comprimidos mediante un activador de carbohidratos, 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 el muelle se expanden y expulsan un chorro de fármaco fuera de la cápsula.
En una serie de experimentos realizados con tejido del tubo digestivo, los investigadores calcularon las presiones necesarias para expulsar los fármacos con la fuerza suficiente para que penetraran en el tejido submucoso y se acumularan allí, creando así un depósito que luego liberaría fármacos en el tejido.
Fármacos a chorro
«Aparte de la eliminación de los objetos punzantes, otra ventaja potencial de los chorros columnares de alta velocidad es su robustez frente a los problemas de localización. A diferencia de una aguja pequeña, que necesita un contacto íntimo con el tejido, nuestros experimentos indicaron que un chorro podría administrar la mayor parte de la dosis a distancia o con un ligero ángulo», afirma Arrick.
Los investigadores también diseñaron las cápsulas de modo que pudieran dirigirse a distintas partes del tubo digestivo. Una versión de la cápsula, que tiene un fondo plano y una cúpula alta, puede asentarse sobre una superficie, como el revestimiento del estómago, y expulsar el fármaco hacia el tejido. Esta cápsula, inspirada en investigaciones anteriores del laboratorio de Traverso sobre cápsulas autoorientables, tiene el tamaño aproximado de un arándano y puede transportar 80 microlitros de fármaco.
La segunda versión tiene una forma tubular 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.
Fabricadas en metal y plástico, las cápsulas pueden atravesar el tubo digestivo y son excretadas tras liberar su carga de fármaco.
Los investigadores diseñaron las cápsulas para que puedan dirigirse a diferentes partes del tracto digestivo. Una segunda versión tiene una forma de tubo que le permite alinearse dentro de un órgano tubular largo. Otra versión del dispositivo podría conectarse a un endoscopio. Crédito: Cortesía de los investigadores
Administración segura y eficaz
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 semaglutida y un tipo de ARN llamado ARN de interferencia corta (ARNsi). Este puede utilizarse para silenciar genes, lo que lo hace potencialmente útil en el tratamiento de muchos trastornos genéticos.
También demostraron que la concentración de los fármacos en el torrente sanguíneo de los animales alcanzaba niveles del mismo orden de magnitud que los observados cuando los fármacos se inyectaban con una jeringuilla, y no detectaron ningún daño tisular.
Los investigadores prevén que la cápsula ingerible pueda ser utilizada en casa por pacientes que necesiten administrarse insulina u otros fármacos inyectados con frecuencia. Además de facilitar la administración de fármacos, sobre todo a los pacientes a los que no les gustan las agujas, este método también elimina la necesidad de deshacerse de agujas afiladas.
El siguiente paso: probar en humanos
Los investigadores también crearon y probaron una versión del dispositivo que podría acoplarse a un endoscopio, lo que permitiría a los médicos utilizarlo en una sala de endoscopia o en un quirófano para administrar fármacos a un paciente.
«Esta tecnología supone un gran avance en la administración oral de fármacos macromoleculares, como la insulina y los agonistas del GLP-1 —dice Omid Veiseh, catedrático de Bioingeniería de la Universidad Rice, que no participó en la investigación. Y añade—: Aunque en el pasado se han intentado muchos métodos de administración oral de fármacos, tienden a ser poco eficaces para lograr una elevada biodisponibilidad. Aquí, los investigadores demuestran la capacidad de administrar biodisponibilidad en modelos animales con gran eficacia».
En palabras de Veiseh, «se trata de un planteamiento interesante que podría tener repercusiones en muchos productos biológicos que actualmente se administran mediante inyecciones o infusiones intravasculares».
Los investigadores planean ahora seguir desarrollando las cápsulas con la esperanza de probarlas en seres humanos.▪️
Artículo publicado con la autorización de MIT News
Fuente: Arrick, G., Sticker, D., Ghazal, A. et al. Cephalopod-inspired jetting devices for gastrointestinal drug delivery. Nature (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-08202-5
