Wetenschappers aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hebben insuline-nanodeeltjes ontwikkeld die op een dag de basis kunnen worden voor een oraal geneesmiddel, en een alternatief voor insuline-injecties voor diabetespatiënten.

In een preklinische studie, het NTU Singapore-team voerde insulinebevattende nanodeeltjes aan ratten en ontdekte dat de insuline minuten later in hun bloed toenam.

Insulinetherapie is vaak een belangrijk onderdeel van de behandeling van diabetes, een stofwisselingsziekte die wereldwijd 422 miljoen mensen treft. In Singapore, het aantal diabetici zal naar verwachting groeien tot 1 miljoen - bijna een vijfde van de bevolking - in 2050.

Orale toediening van insuline zou voor patiënten de voorkeur hebben boven insulineprikken, omdat het minder pijn veroorzaakt dan prikken, en zou dus kunnen leiden tot een betere therapietrouw van de patiënt. Maar orale dosering blijft een uitdaging. Omdat insuline een eiwit is, het wordt afgebroken in het maagdarmkanaal voordat het zelfs de bloedbaan kan bereiken om de bloedglucose te reguleren.

Om deze uitdaging te overwinnen, het interdisciplinaire team bestaande uit wetenschappers van NTU's School of Materials Science and Engineering en de Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine) ontwierp een nanodeeltje geladen met insuline in de kern, vervolgens bedekt met afwisselende lagen insuline en chitosan, een natuurlijke suiker. Dosering wordt bereikt door het aantal lagen in het nanodeeltje te regelen.

Door laboratoriumexperimenten met celculturen en rattenmodellen, het team onder leiding van NTU-hoofdonderzoeker Dr. Huang Yingying, Universitair hoofddocent Yusuf Ali en voormalig NTU-hoogleraar Subbu Venkatraman, aangetoond dat dit laag-voor-laag gecoate nanodeeltje stabiel is als het door de maag naar de dunne darm gaat met minimale insulineafgifte, en kan door de darmwanden in de bloedbaan terechtkomen.

Dr. Huang Yingying van de School of Materials Science and Engineering aan de NTU, de co-hoofdauteur van de studie, zei:"Inspanningen om orale insulineproducten te ontwikkelen hebben weinig succes gehad omdat deze producten ofwel een veiligheidsrisico met zich meebrengen, of frequente dosering vereisen vanwege het vermogen van het medicijn om slechts een kleine hoeveelheid insuline te bevatten. De tests van ons door NTU ontwikkelde insuline-nanodeeltje bij ratten laten zien dat het een voldoende grote hoeveelheid insuline kan dragen voor het gewenste therapeutische effect en tegelijkertijd klein genoeg is om door de darmwand naar de bloedbaan te gaan. Dit geeft de mogelijke toepassing aan voor orale insulinetoediening bij mensen. Wij zijn van mening dat hetzelfde concept ook nuttig kan zijn voor andere eiwitgeneesmiddelen die normaal gesproken moeten worden geïnjecteerd."

Universitair hoofddocent Yusuf Ali van NTU LKCMedicine, de co-auteur van de studie, zei:"Insuline wordt nu meerdere keren per dag onder de huid toegediend met een fijne naald, afhankelijk van de formulering. Afgezien van de pijn en het ongemak, deze prikken brengen ook het risico met zich mee dat patiënten zich niet bewust zijn van hun lage bloedsuikerspiegel, die zich zou kunnen ontwikkelen tot een potentieel dodelijke aandoening bij een diabetespatiënt. LKCMedicine gaat nu verder met de ontwikkeling van dit nanodeeltje met meer preklinisch werk, en we hebben goede hoop dat ons werk op een dag pijnlijke insuline-injecties kan vervangen door een eenvoudige en kleine pil."

De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift nanoschaal in november.

Een meerlagige benadering van orale insulinetoediening

Insuline is een van nature voorkomend hormoon dat essentieel is voor de regulering van de bloedglucosespiegels, vooral na een maaltijd.

Bij gezonde individuen, insuline geproduceerd in de alvleesklier komt in de bloedbaan en wordt gedistribueerd naar belangrijke metabole organen. Het instrueert de lever, spieren, en vetcellen om meer glucose uit de bloedbaan op te nemen en op te slaan voor toekomstig gebruik.

Tegelijkertijd, insuline duwt de lever om de snelheid van nieuwe glucoseproductie te verlagen, en helemaal, deze dienen om de bloedglucosespiegels effectief te verlagen.

In tegenstelling tot, diabetespatiënten produceren niet voldoende insuline om aan de lichaamsbehoeften te voldoen. In ernstige gevallen kan insuline moet via een naald in het vetweefsel onder de huid worden toegediend. Vanaf daar, het gaat in de algemene bloedcirculatie door het hele lichaam voordat het naar de lever gaat.

The NTU-developed oral insulin nanoparticle more closely mimics the route by which natural insulin enters the bloodstream from the liver, an important organ for controlling blood glucose levels.

Each of these nanoparticles is about 200nm in size—at least 1, 000 times smaller than a pollen grain. Insulin is first loaded into the liposome, a tiny sphere at the core of the nanoparticle. The liposome is then coated with 11 alternating layers of insulin and chitosan of three different molecular weights, an approach that allows more insulin to be loaded.

When the insulin nanoparticle enters an acidic environment of the stomach, its layers start to repel each other, resulting in the slow release of insulin from the outermost layer, and leading inwards. While it loses some insulin as it travels down the gastrointestinal tract, the nanoparticle has enough coatings that by the time it is transported through the intestinal wall and into the bloodstream, the insulin in the remaining layers and at the liposome core is still intact.

Proof-of-concept study

To investigate the feasibility of the insulin nanoparticle for oral delivery, the NTU team first conducted a series of lab experiments to establish the nanoparticle's stability, its ability to pass through the intestinal wall, and the efficacy of the insulin in the nanoparticles that have been transported through the intestinal wall.

After leaving the nanoparticles in fluid that simulates the stomach environment, the team found that 6 percent of the insulin from the nanoparticle was released in one hour, and 94 percent remained encapsulated. It takes about one hour for food to pass through the stomach and into the small intestine, which has a less harsh environment.

When tested on the human cell line Caco-2—a widely used model for studying the transport of molecules across the intestinal wall—the scientists found that the amount of insulin transported across was three times higher when loaded into the nanoparticle, compared to bare insulin solution.

The scientists also tested the rate at which nanoparticle insulin is absorbed and cleared in the bloodstream of rats. In rats fed orally with insulin nanoparticles, the insulin concentration in the blood peaked at the 30-minute mark and was entirely eliminated in four hours.

Assoc Prof Yusuf Ali said:"Taken together, these lab experiments showed that our layer-by-layer approach limited the exposure of insulin to the gastrointestinal environment, preventing premature degradation of the insulin. We are now studying if this peak comes earlier than the 30-minute mark—an indicator of how closely the insulin from our nanoparticle follows the ebb and flow of naturally-produced insulin in the bloodstream."

The rapid absorption and elimination of insulin released from these multi-layered nanoparticles demonstrates a proof of concept in replicating meal-related metabolic responses in individuals without diabetes, said Dr. Huang, adding that the level of insulin concentration can be further increased by repeating the number of alternating insulin and chitosan layers on the nanoparticle surface.