Microdeeltjes bieden een veelbelovende manier om meerdere doses van een medicijn of vaccin tegelijk af te geven, omdat ze kunnen worden ontworpen om hun lading met specifieke tussenpozen vrij te geven. Echter, de deeltjes, die ongeveer zo groot zijn als een zandkorrel, kunnen moeilijk te injecteren zijn omdat ze verstopt kunnen raken in een typische spuit.

MIT-onderzoekers hebben nu een rekenmodel ontwikkeld dat hen kan helpen de injecteerbaarheid van dergelijke microdeeltjes te verbeteren en verstopping te voorkomen. Het model analyseert verschillende factoren, inclusief de grootte en vorm van de deeltjes, om een ​​optimaal ontwerp voor injecteerbaarheid te bepalen.

Met behulp van dit model, de onderzoekers wisten het percentage microdeeltjes dat ze met succes konden injecteren te verzesvoudigen. Ze hopen nu het model te gebruiken om microdeeltjes te ontwikkelen en te testen die kunnen worden gebruikt om kankerimmunotherapiemedicijnen te leveren, onder andere mogelijke toepassingen.

"Dit is een raamwerk dat ons kan helpen met enkele van de technologieën die we in het laboratorium hebben ontwikkeld en die we in de kliniek proberen te krijgen, " zegt Ana Jaklenec, een onderzoekswetenschapper aan het Koch Institute for Integrative Cancer Research van MIT.

Jaklenec en Robert Langer, de David H. Koch Institute Professor aan het MIT, zijn de senior auteurs van de studie, die vandaag verschijnt in wetenschappelijke vooruitgang . De hoofdauteur van het artikel is MIT-student Morteza Sarmadi.

Microdeeltjesmodel

Microdeeltjes variëren in grootte van 1 tot 1, 000 micron (miljoensten van een meter). Veel onderzoekers werken aan het gebruik van microdeeltjes gemaakt van polymeren en andere materialen om medicijnen af ​​te leveren, en ongeveer een dozijn van dergelijke medicijnformuleringen zijn goedgekeurd door de FDA. Echter, anderen hebben gefaald vanwege de moeilijkheid om ze te injecteren.

"Het grootste probleem is verstopping, ergens in het systeem, waardoor niet de volledige dosis kan worden toegediend, " Zegt Jaklenec. "Veel van deze medicijnen komen niet verder dan de ontwikkeling vanwege de uitdagingen met injecteerbaarheid."

Dergelijke medicijnen worden meestal intraveneus of onder de huid geïnjecteerd. Ervoor zorgen dat deze medicijnen hun bestemming met succes bereiken, is een belangrijke stap in het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen. maar het is er een die vaak als laatste wordt gedaan, en kan een anders veelbelovende behandeling dwarsbomen, zegt Sarmadi.

"Injecteerbaarheid is een belangrijke factor in hoe succesvol een medicijn zal zijn, maar er is weinig aandacht besteed aan het proberen de administratietechnieken te verbeteren, " zegt hij. "We hopen dat ons werk de klinische vertaling van nieuwe en geavanceerde formuleringen van geneesmiddelen met gecontroleerde afgifte kan verbeteren."

Langer en Jaklenec hebben gewerkt aan de ontwikkeling van holle microdeeltjes die kunnen worden gevuld met meerdere doses van een medicijn of vaccin. Deze deeltjes kunnen worden ontworpen om hun nuttige lading op verschillende tijdstippen vrij te geven, die de noodzaak voor meerdere injecties zou kunnen elimineren.

Om de injecteerbaarheid van deze en andere microdeeltjes te verbeteren, de onderzoekers analyseerden experimenteel de effecten van het veranderen van de grootte en vorm van de microdeeltjes, de viscositeit van de oplossing waarin ze zijn gesuspendeerd, en de grootte en vorm van de spuit en naald die worden gebruikt om ze toe te dienen. Ze testten kubussen, bollen, en cilindrische deeltjes van verschillende grootte, en de injecteerbaarheid van elk gemeten.

De onderzoekers gebruikten deze gegevens vervolgens om een ​​type rekenmodel te trainen dat bekend staat als een neuraal netwerk om te voorspellen hoe elk van deze parameters de injecteerbaarheid beïnvloedt. De belangrijkste factoren bleken deeltjesgrootte, deeltjesconcentratie in de oplossing, viscositeit van de oplossing, en naaldgrootte. Onderzoekers die werken aan microdeeltjes die medicijnen afleveren, kunnen deze parameters eenvoudig in het model invoeren en een voorspelling krijgen van hoe injecteerbaar hun deeltjes zullen zijn, tijd besparen die ze zouden hebben gehad om verschillende versies van de deeltjes te bouwen en ze experimenteel te testen.

"In plaats van de experimenten te doorlopen, en heen en weer gaan, geen idee hebben hoe succesvol het systeem zal zijn, je kunt dit neurale netwerk gebruiken en het kan je begeleiden, vroegtijdig, om het systeem te begrijpen, ' zegt Sarmadi.

Injecteerbaarheidsboost

De onderzoekers gebruikten hun model ook om te onderzoeken hoe het veranderen van de vorm van de spuit de injecteerbaarheid zou kunnen beïnvloeden. Ze bedachten een optimale vorm die lijkt op een mondstuk, met een brede diameter die taps toeloopt naar de punt. Met behulp van dit spuitontwerp, de onderzoekers testten de injecteerbaarheid van de microdeeltjes die ze beschreven in een 2017 Wetenschap studie, en ontdekten dat ze het percentage afgeleverde deeltjes verhoogden van 15 procent tot bijna 90 procent.

"Dit is een andere manier om de krachten die op de deeltjes werken te maximaliseren en de deeltjes naar de naald te duwen, " zegt Sarmadi. "Het is een veelbelovend resultaat dat aantoont dat er enorme ruimte is voor verbetering in de injecteerbaarheid van microdeeltjessystemen."

De onderzoekers werken nu aan het ontwerpen van geoptimaliseerde systemen voor het afleveren van kankerimmunotherapiemedicijnen, die kan helpen bij het stimuleren van een immuunrespons die tumorcellen vernietigt. Ze geloven dat dit soort microdeeltjes ook kunnen worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan vaccins of medicijnen af ​​te leveren, waaronder medicijnen met kleine moleculen en biologische geneesmiddelen, waaronder grote moleculen zoals eiwitten.