Diabetes mellitus prizadene na stotine milijonov ljudi po vsem svetu, kar povzroča neusmiljeno breme vsakodnevnega spremljanja glukoze v krvi in dajanja insulina. Kljub napredku v insulinskih analogih in dostavnih napravah, doseganje tesnega glikemičnega nadzora brez pogoste hipoglikemije ostaja velik izziv. Nedavni preboji v nanotehnologiji ponujajo spremembo paradigme: pametni, inzulin odzivni sistemi za dajanje zdravil, ki avtonomno sproščajo insulin v sorazmerju z ravnmi glukoze v krvi. Te platforme, ki temeljijo na na nanomaterialih, so namenjene repliciranju endogene povratne zanke trebušne slinavke, ki bi lahko spremenila upravljanje sladkorne bolezni v bolj natančno, manj vsiljivo terapijo.

Obremenitev sladkorne bolezni in potreba po inovacijah

Diabetes tipa 1 in številni primeri sladkorne bolezni tipa 2 zahtevajo eksogeni insulin za nadzor hiperglikemije. Standard oskrbe – večdnevne injekcije ali neprekinjena subkutana infuzija insulina – so učinkoviti, vendar nepopolni. Bolniki morajo stalno umerjati odmerke insulina na podlagi vnosa ogljikovih hidratov, aktivnosti in stresa, vendar celo najbolj pozorno spremljanje ne more odpraviti nevarnih nihanj. Študija, objavljena v Lancet] je ocenila, da je globalno gospodarsko breme sladkorne bolezni preseglo 1,3 bilijona $ v letu 2015, z velikim deležem, ki ga je mogoče pripisati zapletom iz suboptimalnega nadzora. Hipoglikemija še posebej ostaja strahoten stranski učinek, ki povzroča kognitivne okvare, epileptične napade in celo smrt. Potreba po sistemu, ki lahko sprosti insulin, je akutna le, če je potreben in v pravem obsegu.

Tradicionalne oblike insulina se dajejo v obliki bolusnih injekcij ali neprekinjenih bazalnih stopenj prek črpalk. Medtem ko imajo insulinske črpalke v paru s stalnimi monitorji glukoze izboljšane rezultate, še vedno zahtevajo poseg uporabnika in so nagnjene k napakam senzorjev ali napakam na mestu infundiranja. Popolnoma avtonomni sistem, ki zazna glukozo in sprosti insulin brez ročnega odmerjanja, bi dramatično zmanjšal breme bolnika in izboljšal varnost. Nanomateriali, ki so edinstveni in jih je mogoče oblikovati za odzivnost, zagotavljajo tehnološko podlago za tako avtomatizirano rešitev.

Osnove nanomaterialov pri dostavljanju drog

Nanomateriali so strukture z vsaj eno dimenzijo med 1 in 100 nanometrov. V tem merilu imajo materiali nove lastnosti – visoko razmerje med površino in prostornino, tunble površinsko kemijo in kvantne učinke – zaradi česar so izjemno uporabni za biomedicinske aplikacije. Pri dovajanju zdravil lahko nanodelci vgradijo terapevtske agense, jih zaščitijo pred prezgodnjo razgradnjo in nadzorujejo njihovo sproščanje skozi čas ali kot odziv na posebne dražljaje.

Običajni razredi nanomaterialov, ki se uporabljajo pri dovajanju insulina, so:

  • Polimerični nanodelci – biorazgradljivi polimeri, kot so poli(laktična-ko-glikolna kislina) (PLGA), hitosan in poli(etilenglikol) (PEG), ki lahko inkapsulirajo insulin in ga sproščajo z difuzijo ali polimerno erozijo.
  • Liposomi – fosfolipidni dvoslojki, ki lahko prenašajo tako hidrofilna kot hidrofobna zdravila, vključno z insulinom, in se lahko površinsko spreminjajo z ligandi, občutljivimi na glukozo.
  • Mezopozni silikatni nanodelci (MSN) – porozni anorganski delci z visoko nosilno zmogljivostjo; njihove pore je mogoče pokriti z glukozno odzivnimi »vratarji«, ki se odpirajo v prisotnosti visoke glukoze.
  • Hidrogeli – križno vezane polimerne mreže, ki se nabreknejo ali skrčijo kot odziv na okoljske pokazatelje; glukozno odzivni hidrogeli lahko vključujejo glukozo oksidazo ali fenilboronske kisline.
  • Zlati nanodelci – uporabljeni kot nosilci ali kot sprožilci za fototermalno sproščanje, čeprav so v inzulinskih sistemih pogosto funkcionalizirani z molekulami, občutljivimi na glukozo.

Izbira nanomateriala je odvisna od želenega profila sproščanja, biokompatibilnosti, načina dajanja in uporabljenega mehanizma za zaznavanje glukoze. Dobro zasnovan nanoprenašalec mora zaščititi insulin pred želodčno kislino (če je peroralna) ali pred proteolitičnimi encimi v podkožnem tkivu, hkrati pa mora omogočati hitro sproščanje, ko se raven glukoze zviša.

Načela oblikovanja pametnih insulinskih odzivnih sistemov

V srcu pametnega sistema za dajanje insulina je sposobnost zaznati glukozo in prevesti ta signal v sorazmerno sproščanje insulina. To zahteva integracijo elementa zaznavanja glukoze z nanonononoprevoznikom, ki se strukturno ali kemično spremeni ob vezavi glukoze. Zasnova mora biti robustna, reverzibilna in dovolj hitra, da prepreči hiperglikemijo brez preseganja v hipoglikemijo.

Mehanizmi za zaznavanje glukoze

V sistemih nanomaterialov se uporabljata dve široki kategoriji zaznavanja glukoze: encimska in neencimska.

Encimski senzorji

Glukoza oksidaza (GOx) je najpogostejši encim, ki se uporablja. GOx katalizira oksidacijo glukoze v glukonsko kislino, ki proizvaja vodikov peroksid in znižuje lokalni pH. Ta pH kapljica se lahko uporablja za sprožitev sproščanje insulina iz pH-odzivne nanopredajalcev. Na primer, hidrogel, ki vsebuje GOx in insulin bo nabreknil ali razgradil pri nizkem pH, sprošča zdravilo. Izziv je, da GOx porabi kisik, ki lahko omejuje v nekaterih tkivih, in vodikov peroksid stranski produkt je lahko strupen, če ni nevtraliziran. Raziskovalci raziskujejo koenkapsulacijo katalaze za razgrajanje vodikovega peroksida, blaži oksidativni stres.

Neencimski senzorji

Fenilboronska kislina (PBA) in njeni derivati se reverzibilno vežejo na diolske skupine v molekulah glukoze. Po vezavi se PBA negativno nabije, kar povzroči oteklino hidrogelov ali disociacijo polimernih kompleksov. Ta mehanizem je odvisen od kisika in ne povzroča nobenih toksičnih stranskih produktov, kar ga naredi privlačnega za dolgoročne vsadke. Drug neenzimatični pristop uporablja beljakovine, ki vežejo glukozo, kot je konkavalin A, ki lahko opravi konformacijske spremembe na vezavi glukoze, sprošča insulin iz iz derivatizirane površine. Vendar pa je concanavalin A imunogen, ki omejuje njegovo klinično uporabo.

Nanoprevoznik Arhitektura za inzulinsko inkapsulacijo

Element zaznavanja glukoze je treba povezati z nosilcem, ki ima insulin v stabilni obliki. Razvili so več arhitektur:

  • Glukozno odzivni hidrogeli – Te tridimenzionalne polimerne mreže vključujejo GOx ali PBA. Pri visoki koncentraciji glukoze nabrekne gel (če se uporabljajo kationski polimeri) ali se razgradi, sprosti inzulin. Ena elegantna zasnova uporablja hidrogel, ki vsebuje GOx, katalazo in insulin; padec pH povzroči protonacijo aminskih skupin, repelirajo verige in širijo mrežo. Te lahko formuliramo kot depože ali mikroneedle obliže.
  • Polymer vezicle (polimersome) – Votle kroglice, izdelane iz amfifilnih blok kopolimerov. Membrana je lahko občutljiva na glukozo z vključitvijo PBA-modificiranih segmentov. Ko se glukoza veže, postane prepustna, sprošča inzulin. Polimersomi ponujajo visoko nosilnost in se lahko izdelajo za počasno ali impulzno sprostitev.
  • Akološki nanodelci z vrati – Mezoporni silikatni nanodelci so napolnjeni z insulinom, njihove pore pa so blokirane z glukozno odzivnimi »kaplji«, kot so PBA-modificirani sladkorni kompleksi ali encimsko-substratni vratarji. Pri visokih glukozah se odstranjujejo kapice, kar omogoča, da se insulin razprši. To zagotavlja močno »off« stanje in zmanjšuje izpuščanje.
  • Insulinsko obremenjene mikronukleuse – Arraye iz drobnih igel (sto mikrometrov dolgih) iz biokompatibilnih polimerov, ki jih je mogoče pritisniti v kožo. Ko so napolnjeni s hidrogeli ali nanodelci, ki se odzivajo na glukozo, zagotavljajo neboleče, transdermalne dobave. Več raziskovalnih skupin je pokazalo, da lahko mikronukleotni obliži, ki vsebujejo insulin in Gox, sprostijo insulin kot odgovor na hiperglikemijo pri diabetičnih miših.

Povratne informacije-nadzorovana sprostitev kinetika

Idealni pametni sistem se hitro sprosti, ko glukoza preseže prag (npr. 200 mg/dl) in hitro ustavi, ko se glukoza normalizira (npr. pod 120 mg/dl). Za to je potrebno skrbno uravnavanje odzivnega časa senzorja in kinetike sproščanja nosilca. Mnogi sedanji sistemi imajo zamik 15–30 minut, kar je sprejemljivo za bazalno kontrolo, vendar je lahko prepočasno za konice obroka. Raziskovalci raziskujejo strategije, kot so uporaba manjših nanodelcev (hitrejša difuzija), ki vključujejo več molekul glukoze na mesto vezave (amplifikacija) in spajanje senzorja neposredno za sproščanje insulina z encimskimi kaskadami.

Opomenska novost je sistem, ki omogoča, da se nanoprevoznik predobremeni z insulinom in ga da kot podkožno depo. Depo deluje kot umetna trebušna slinavka: ko se glukoza dvigne, se insulin sprosti; ko se glukoza spusti, se sproščanje ustavi. Načeloma lahko ena injekcija zagotavlja glikemični nadzor več dni ali celo tednov, kar močno zmanjša breme injiciranja. Predklinične študije pri glodalcih so pokazale, da lahko takšna depoji vzdržujejo normoglikemijo do 10 dni z eno injekcijo.

Ključne prednosti nad konvencionalno terapijo

Nanomaterialni pametni insulinski sistemi ponujajo več možnih prednosti pred tradicionalnimi injekcijami in črpalkami:

  • Odmerek, ki se odziva na glukozo[] – Insulin se sprosti le, ko je koncentracija glukoze povečana, kar zmanjša tveganje za hipoglikemijo. To je najbolj transformativna korist, saj se pri mnogih bolnikih boji agresivne terapije z insulinom z nizkimi mejami krvnega sladkorja.
  • Zmanjšana pogostnost injiciranja[ – Dolgodelujoče depoje lahko nadomestijo večkratne dnevne injekcije z eno injekcijo vsakih nekaj dni ali tednov, kar izboljša upoštevanje in kakovost življenja.
  • Improvirana farmakokinetika – Nanoprevozniki ščitijo insulin pred encimsko razgradnjo in lahko povečajo absorpcijo, kar vodi do bolj predvidljivih in konsistentnih ravni v krvi.
  • Eliminacija napake uporabnika[] – Avtomatizirano sproščanje odpravi potrebo po izračunavanju odmerkov na podlagi štetja ogljikovih hidratov, aktivnosti in občutljivosti za insulin, kar je še posebej koristno za posameznike s kognitivnimi motnjami ali za otroke.
  • Potencialna za kombinirano zdravljenje – Ista platforma lahko sočasno daje glukagon ali druge protiregulativne hormone za nadaljnje zmanjšanje tveganja za hipoglikemijo ali za izboljšanje delovanja celic beta.

Kljub tem prednostim je treba pri prehodu s klopi na posteljo premagati precejšnje ovire, kot je opisano spodaj.

Trenutni kandidati za raziskave in obete

Številne raziskovalne skupine po vsem svetu aktivno razvijajo nanonoprevoznike, ki se odzivajo na glukozo. Nekateri izmed najbolj naprednih sistemov so v predkliničnih in zgodnjih kliničnih fazah.

Študije na živalih in Vivo

Eden od pomembnih primerov je laboratorij dr. Daniela Andersona na MIT, ki je razvil »pametni insulinski obliž« z uporabo mikronuklearnega niza, napolnjenega z inzulinom in glukozno odzivnimi vezikli. V študiji PNAS je obliž normaliziral glukozo v krvi pri diabetičnih miših do 9 ur po enkratnem nanosu, s hitrim odzivom na izzive glukoze. Nedavno je ekipa na Univerzi v Severni Karolini ustvarila nanoveze, ki so vsebovale glukozo in so 10 dni po enkratnem injiciranju ohranjale normoglikemijo pri miših. Ti rezultati kažejo izvedljivost dolgo delujočih, odzivnih sistemov.

Drug inovativen pristop uporablja zlate nanodelce, ki so funkcionalno prilagojeni z glukozo oksidazo in insulinom. Ko je glukoza prisotna, GOx proizvaja glukonsko kislino, znižuje pH in povzroča, da se zlati nanodelci segrejejo, tako da se iz površine sprosti insulin. Ta sistem “nano-ratchet” je bil testiran pri diabetičnih podganah in dokazano, da znižuje glukozo v krvi, ne da bi povzročil hipoglikemijo.

Prizadevanja za klinične prevode

Več podjetij premika nanomaterialne insulinske sisteme proti poskusom na ljudeh. Preizkušanje insulinske formulacije v fazi I (MK-2640) je opravil Merck[, čeprav je bilo to zaradi nezadostno hitrega začetka prekinjeno. Vendar pa se razvijajo novejše formulacije z uporabo izboljšane polimerne kemije. Še en zagon, ]SmartInsulin je poročal o predkliničnem uspehu z skladiščem na osnovi hidrogelov, ki se odziva na raven glukoze pri prašičih.

V zadnjem času so v biomedicinskem inženiringu opisali raztapljajoči mikroneedelni obliž, ki vsebuje na glukozo odzivne nanodelce, ki so se v majhnem prašičjem modelu proporcionalno sprostili insulin. Tehnologija se zdaj uporablja za preskušanje faze I.

Izzivi na poti do klinične posvojitve

Kljub obetavnim rezultatom ostaja še več ovir, preden se lahko ti sistemi odobrijo za široko uporabo.

  • Biokompatibilnost in dolgoročna varnost[] – Veliko nanomaterialov, zlasti anorganskih, se lahko kopiči v tkivih in sproži kronično vnetje. Biorazgradljivi polimeri, kot je PLGA, so na splošno varni, vendar lahko njihovi produkti razgradnje (laktične in glikolne kisline) povzročijo lokalne spremembe pH. Potrebno je okorno testiranje rakotvornosti, imunogenosti in toksičnosti organov.
  • Imunski odziv[ – Glukozna oksidaza iz gliv je imunogena. Za večkratno uporabo je potrebna enkapsulacija ali mutacija za zmanjšanje imunogenosti. Neencimski sistemi, kot je PBA, se izogibajo temu problemu, vendar imajo lahko manjšo občutljivost.
  • Natančna kontrola nad kinetiko sproščanja – Trenutni sistemi imajo pogosto počasen začetek ali pomembno »pustitev« insulina tudi pri nizkih koncentracijah glukoze. Puščanje lahko povzroči hipoglikemijo, ki izniči namen pametnega sistema. Inženiring oster prag odziva brez žrtvovanja hitrosti je velik tehnični izziv.
  • Proizvodnja scelabilnost[] – Ponovljivo sintetizirajo nanoprevoznike z dosledno velikostjo, nalaganjem in odzivnostjo v obsegu je težko. Regulativne agencije zahtevajo te parametre, veliko nanomaterialov pa se proizvaja le v majhnih serijah za raziskave.
  • Dolgotrajna stabilnost[ – Insulin je krhka beljakovina; sčasoma se lahko agregira ali razgradi. Nanoprevozniki morajo vzdrževati stabilnost insulina več mesecev ali let, če je to predvideno kot dolgo delujoča depoja. Raziskujejo se liofilizacija in optimizacija pomožnih snovi.
  • Regulativna pot[ – Sistemi pametnega insulina so kombinirani izdelki (zdravilo + pripomoček + morda biološki), kar otežuje odobritev. FDA je izdala smernice za insulin, ki se odziva na glukozo, vendar noben izdelek še ni odobren. Podjetja morajo izvesti obsežna klinična preskušanja, da dokažejo varnost in učinkovitost glede na standardno oskrbo.

Prihodnje usmeritve

Področje se hitro razvija in številni nastajajoči trendi obljubljajo pospešitev napredka.

Integracija s kontinuiranimi monitorji glukoze in algoritmi zaprtega kroga. Medtem ko popolnoma avtonomni nanoprevozniki delujejo neodvisno, bi jih lahko združevanje z elektronskim CGM zagotovilo rezervo in omogočilo prilagodljivo prilagoditev občutljivosti nanoprevoznika. Aplikacija za pametne telefone bi lahko na primer kalibrirala prag za sprostitev, ki temelji na vsakodnevni aktivnosti bolnika.

Biorazgradljivi in vsadljivi pripomočki. Raziskovalci oblikujejo vsadke, ki vsebujejo rezervoarje insulinov in membran, ki se odzivajo na glukozo. Te bi lahko zamenjali vsakih nekaj mesecev. Nedavno delo na ]MIT-jevem pametnem insulinskem vsadku[] uporablja hidrogel, ki se nabrekne kot odziv na glukozo, pri čemer se iz drobcenega notranjega rezervoarja sprosti insulin.

Osebna nanomedicina. Dejavniki, specifični za bolnika, kot so čas obroka, občutljivost za insulin in način življenja, bi se lahko uporabili za oblikovanje po meri nanononoprevoznikov. Na primer, oseba s hitrimi konicami glukoze po obrokih lahko koristi hitro delujoči formulaciji, medtem ko druga s počasnejšo presnovo morda potrebuje dolgo delujoč depo. Strojno učenje bi lahko pomagalo optimizirati polimerne sestave.

Kombinacija z drugimi hormoni. Sistemi z dvojnim sproščanjem, ki sočasno dajejo insulin in glukagon kot odgovor na nizko glukozo, bi lahko še dodatno zmanjšali tveganje za hipoglikemijo. Takšne »bihormonske« umetne trebušne slinavke so bile testirane elektronsko; zdaj se raziskujejo nanomaterialne različice.

Oralno dovajanje. Alergično odzivni peroralni insulin z uporabo nanodelcev, ki preživijo želodec in sproščajo insulin v črevesju kot odgovor na absorpcijo glukoze, je tantalizirajoči cilj. Več skupin deluje na nanodelce obložene kapsule, ki se odpirajo v tankem črevesu, ko se raven glukoze dvigne.

Hkrati pa napredki v znanosti materialov proizvajajo nove polimere, ki se odzivajo na glukozo, s hitrejšimi odzivnimi časi in boljšo biokompatibilnostjo. Zbliževanje nanotehnologije, sintetične biologije in umetne inteligence lahko kmalu proizvede izdelek, ki je pripravljen za najboljši čas.

Sklep

Pametni, inzulin odzivni sistemi za dajanje zdravil, ki temeljijo na nanomaterialih, predstavljajo transformativni pristop k obvladovanju sladkorne bolezni. S posnemanjem sposobnosti trebušne slinavke, da zazna glukozo in sprosti insulin v realnem času, te platforme obljubljajo, da bodo zmanjšale breme injekcij, zmanjšale hipoglikemijo in izboljšale splošni glikemični nadzor. Medtem ko pomembni izzivi, povezani z biokompatibilnostjo, sprosti kinetiko in proizvodnjo, ostajajo, se hitrost raziskav pospešuje. Z več sistemi, ki napredujejo proti kliničnim poskusom, se možnost enkrat tedensko ali celo enkrat mesečno injekcijo, ki se samodejno prilagaja potrebam telesa, premika od znanstvene fantastike do oprijemljive resničnosti. Za stotine milijonov ljudi, ki živijo s sladkorno boleznijo, ta realnost ne more priti dovolj hitro.