Ongeveer een op de vier ouderen heeft chronische pijn. Veel van die mensen nemen medicijnen, meestal als pillen. Maar dit is geen ideale manier om pijn te behandelen:patiënten moeten vaak medicijnen innemen, en kunnen bijwerkingen krijgen, omdat de inhoud van pillen zich via de bloedbaan naar het hele lichaam verspreidt.

Nu hebben onderzoekers van het MIT een techniek verfijnd waarmee pijnmedicatie en andere medicijnen rechtstreeks in specifieke delen van het lichaam kunnen worden afgegeven - en in constante doses gedurende een periode van maximaal 14 maanden. De methode maakt gebruik van biologisch afbreekbare, nanoschaal "dunne films" beladen met medicijnmoleculen die in een stapsgewijs proces in het lichaam worden opgenomen.

"Het is al meer dan een paar maanden moeilijk om iets te ontwikkelen dat [medicatie] vrijgeeft, " zegt Paula Hammond, de David H. Koch Professor in Engineering aan het MIT, en een co-auteur van een nieuw artikel over het voorschot. "Nu kijken we naar een manier om een ​​extreem dunne film of coating te creëren die erg dicht is met een medicijn, en toch vrijkomt met een constante snelheid gedurende zeer lange perioden."

In de krant, vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , de onderzoekers beschrijven de methode die wordt gebruikt in het nieuwe medicijnafgiftesysteem, die de afgifteduur die wordt bereikt door de meeste commerciële biologisch afbreekbare films met gecontroleerde afgifte aanzienlijk overschrijdt.

"Je kunt het mogelijk implanteren en het medicijn meer dan een jaar vrijgeven zonder naar binnen te gaan en er iets aan te doen, " zegt Bryan Hsu PhD '14, die als doctoraatsstudent in het laboratorium van Hammond het project hielp ontwikkelen. "Je hoeft het niet te gaan herstellen. Normaal gesproken om langdurige medicijnafgifte te krijgen, je hebt een reservoir of apparaat nodig, iets dat het medicijn kan tegenhouden. En het is meestal niet-afbreekbaar. Het zal langzaam loslaten, maar het blijft daar zitten en je houdt dit vreemde voorwerp vast in het lichaam, of je moet het gaan herstellen."

Laag voor laag

Het papier is co-auteur van Hsu, Myoung-Hwan Park van Shamyook University in Zuid-Korea, Samantha Hagerman '14, en Hammond, wiens lab zich in het Koch Institute for Integrative Cancer Research aan het MIT bevindt.

Het onderzoeksproject pakt een moeilijk probleem aan bij gelokaliseerde medicijnafgifte:elk biologisch afbreekbaar mechanisme dat bedoeld is om een ​​medicijn over een lange periode af te geven, moet stevig genoeg zijn om hydrolyse te beperken, een proces waarbij het lichaamswater de bindingen in een medicijnmolecuul afbreekt. Als er te snel te veel hydrolyse optreedt, het medicijn zal niet gedurende lange perioden in het lichaam intact blijven. Toch moet het medicijnafgiftemechanisme zo worden ontworpen dat een medicijnmolecuul dat wel doet, in feite, ontleden in gestage stappen.

Dit behandelen, de onderzoekers ontwikkelden wat ze een "laag-voor-laag"-techniek noemen, waarin medicijnmoleculen effectief worden gehecht aan lagen dunne-filmcoating. In dit specifieke geval, de onderzoekers gebruikten diclofenac, een niet-steroïde anti-inflammatoir geneesmiddel dat vaak wordt voorgeschreven voor artrose en andere pijn- of ontstekingsaandoeningen. Vervolgens bonden ze het aan dunne lagen poly-L-glutamaatzuur, dat bestaat uit een aminozuur dat het lichaam weer opneemt, en twee andere organische verbindingen. De film kan worden aangebracht op afbreekbare nanodeeltjes voor injectie op lokale locaties of worden gebruikt om permanente apparaten te coaten, zoals orthopedische implantaten.

Bij testen, het onderzoeksteam ontdekte dat de diclofenac gedurende 14 maanden gestaag werd vrijgegeven. Omdat de effectiviteit van pijnmedicatie subjectief is, ze evalueerden de werkzaamheid van de methode door te kijken hoe goed de diclofenac de activiteit van cyclo-oxygenase (COX) blokkeerde, een enzym dat centraal staat bij ontstekingen in het lichaam.

"We ontdekten dat het actief blijft nadat het is vrijgegeven, "Hsu zegt, wat betekent dat de nieuwe methode de werkzaamheid van het medicijn niet schaadt. Of, zoals de papieren notities, de laag-voor-laag methode produceerde "aanzienlijke COX-remming op een vergelijkbaar niveau" als pillen.

De methode stelt de onderzoekers ook in staat om de hoeveelheid van het medicijn dat wordt afgeleverd, aan te passen, in wezen door meer lagen van de ultradunne coating toe te voegen.

Een haalbare strategie voor veel medicijnen

Hammond en Hsu merken op dat de techniek ook voor andere soorten medicatie kan worden gebruikt; een ziekte zoals tuberculose, bijvoorbeeld, vereist ten minste zes maanden medicamenteuze behandeling.

"Het is niet alleen levensvatbaar voor diclofenac, " zegt Hsu. "Deze strategie kan op een aantal medicijnen worden toegepast."

Inderdaad, andere onderzoekers die de paper hebben bekeken, zeggen dat de potentiële medische veelzijdigheid van de dunne-filmtechniek van groot belang is.

"Ik vind het echt intrigerend omdat het breed toepasbaar is op veel systemen, " zegt Kathryn Uhrich, een professor in de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie aan de Rutgers University, eraan toevoegend dat het onderzoek "echt een mooi stuk werk" is.

Om zeker te zijn, in ieder geval, onderzoekers zullen moeten uitzoeken hoe het medicijnmolecuul in kwestie het beste kan worden gebonden aan een biologisch afbreekbare dunnefilmcoating. De volgende stappen voor de onderzoekers omvatten studies om deze eigenschappen in verschillende lichaamsomgevingen te optimaliseren en meer tests, misschien met medicijnen voor zowel chronische pijn als ontsteking.

Een belangrijke drijfveer voor het werk, Hammond notities, is "het hele idee dat we misschien iets kunnen ontwerpen met behulp van dit soort benaderingen dat een [gemakkelijkere] levensstijl zou kunnen creëren" voor mensen met chronische pijn en ontsteking.

Hsu en Hammond waren betrokken bij alle aspecten van het project en schreven de paper, terwijl Hagerman en Park hielpen bij het uitvoeren van het onderzoek, en Park hielpen bij het analyseren van de gegevens.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.