Пластырь — тонкий квадрат не больше копейки — покрыт более чем сотней крошечных иголок, каждая размером с ресницу. Эти «микроиглы» заполнены микроскопическими блоками для хранения инсулина и ферментов, чувствительных к глюкозе, которые быстро высвобождают свой груз, когда уровень сахара в крови становится слишком высоким.Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, показало, что новый безболезненный пластырь может снизить уровень глюкозы в крови у мышей с диабетом типа 1 на срок до девяти часов.
Прежде чем пластырь можно будет вводить пациентам, потребуются дополнительные доклинические испытания и последующие клинические испытания на людях, но этот подход является многообещающим.«Мы разработали пластырь от диабета, который быстро работает, прост в использовании и сделан из нетоксичных биосовместимых материалов», — сказал соавтор исследования Чжэнь Гу, доктор философии, профессор Объединенного государственного департамента биомедицинской инженерии UNC / NC. . Гу также работает в Медицинской школе UNC, Фармацевтической школе UNC Eshelman и Центре лечения диабета UNC. «Вся система может быть персонализирована с учетом веса диабетика и чувствительности к инсулину, — добавил он, — чтобы мы могли сделать смарт-пластырь еще умнее».
Диабет затрагивает более 387 миллионов человек во всем мире, и ожидается, что к 2035 году это число вырастет до 592 миллионов. Пациенты с диабетом типа 1 и поздней стадии диабета 2 стараются контролировать уровень сахара в крови с помощью регулярных уколов пальцев и повторных инъекций инсулина. , болезненный и неточный процесс.
Джон Буз, доктор медицинских наук, соавтор статьи PNAS и директор Центра лечения диабета UNC, сказал: «Введение неправильного количества лекарства может привести к серьезным осложнениям, таким как слепота и ампутации конечностей, или даже к более катастрофическим последствиям. такие как диабетическая кома и смерть ».Исследователи попытались устранить вероятность человеческой ошибки, создав «системы с обратной связью», которые напрямую подключают устройства, отслеживающие уровень сахара в крови и вводящие инсулин.
Однако эти подходы включают механические датчики и насосы с катетерами с иглами, которые необходимо вставлять под кожу и заменять каждые несколько дней.Вместо того, чтобы изобрести другую систему, полностью созданную руками человека, Гу и его коллеги решили подражать естественным генераторам инсулина в организме, известным как бета-клетки. Эти универсальные клетки действуют как фабрики и склады, производя и храня инсулин в крошечных мешочках, называемых пузырьками.
Они также ведут себя как центры обработки вызовов, обнаруживая повышение уровня сахара в крови и сигнализируя о выбросе инсулина в кровоток.«Мы создали искусственные везикулы для выполнения тех же функций, используя два материала, которые можно легко найти в природе», — сказал первый автор PNAS Цзичин Ю, аспирант в лаборатории Гу.
Первым материалом была гиалуроновая кислота или ГК, натуральное вещество, входящее в состав многих косметических средств. Вторым был 2-нитроимидазол или NI, органическое соединение, обычно используемое в диагностике. Исследователи соединили эти две молекулы, чтобы создать новую молекулу, один конец которой был водолюбивым или гидрофильным, а другой — водобоязненным или гидрофобным. Смесь этих молекул самоорганизовалась в пузырьки, очень похожие на слияние капель масла в воде, причем гидрофобные концы были направлены внутрь, а гидрофильные концы — наружу.
В результате появились миллионы пузырьков, каждая в 100 раз меньше ширины человеческого волоса. В каждый из этих пузырьков исследователи вставили ядро из твердого инсулина и ферментов, специально разработанных для определения уровня глюкозы.В лабораторных экспериментах, когда уровень сахара в крови повышался, избыток глюкозы скапливался в искусственных пузырьках.
Затем ферменты преобразовали глюкозу в глюконовую кислоту, все время потребляя кислород. Возникающая в результате нехватка кислорода или «гипоксия» заставляла гидрофобные молекулы NI становиться гидрофильными, в результате чего везикулы быстро распадались и отправляли инсулин в кровоток.
После того, как исследователи разработали эти «интеллектуальные наночастицы инсулина», им нужно было придумать способ введения их пациентам с диабетом.
Вместо того, чтобы полагаться на большие иглы или катетеры, которые затрудняли предыдущие подходы, они решили включить эти шарики чувствительного к сахару и высвобождающего инсулин материала в набор крошечных игл.Гу создал эти «микроиглы», используя ту же гиалуроновую кислоту, которая была основным ингредиентом наночастиц, только в более жесткой форме, поэтому крошечные иглы были достаточно жесткими, чтобы прокалывать кожу. Они разместили более сотни таких микроигл на тонкой силиконовой полоске, чтобы создать нечто похожее на крошечную безболезненную версию гвоздя.
Когда этот пластырь накладывали на кожу, микроиглы проникали через поверхность, попадая в кровь, текущую через капилляры чуть ниже.Исследователи проверили способность этого подхода контролировать уровень сахара в крови на мышиной модели диабета 1 типа. Они сделали одной группе мышей стандартную инъекцию инсулина и измерили уровень глюкозы в крови, который упал до нормы, но затем они быстро поднялись до уровня гипергликемии.
Напротив, когда исследователи обработали другую группу мышей пластырем с микроиглами, они увидели, что уровень глюкозы в крови был взят под контроль в течение тридцати минут и оставался таким в течение нескольких часов.Кроме того, исследователи обнаружили, что они могут настроить пластырь для изменения уровня глюкозы в крови только в определенном диапазоне, варьируя дозу фермента, содержащегося в каждой из микроигл. Они также обнаружили, что пластырь не представляет опасности, которую представляют инъекции инсулина.
При слишком частом введении инъекции могут вызвать резкое падение сахара в крови до опасно низкого уровня.«Сложная часть лечения диабета — это не уколы инсулина, или проверка уровня сахара в крови, или диета, а тот факт, что вы должны делать их все несколько раз в день каждый день до конца своей жизни, — сказал Бузе, директор. из Института трансляционных и клинических наук Северной Каролины (NC TraCS) и бывший президент Американской диабетической ассоциации: «Если мы сможем заставить эти пластыри работать на людях, это изменит правила игры».
Поскольку мыши менее чувствительны к инсулину, чем люди, исследователи полагают, что эффект пластыря, стабилизирующий уровень сахара в крови, может длиться даже дольше, если его давать реальным пациентам. По словам Гу, их конечная цель — разработать умный инсулиновый пластырь, который пациентам нужно будет менять только каждые несколько дней.