Инсулиновый пластырь вместо подкожных инъекций

Исследователи государственного университета Северной Каролины, работающие под руководством профессора Чжэня Гу (Zhen Gu), разработали пластырь для пациентов с сахарным диабетом. Пластырь изготавливается из нетоксичных биосовместимых материалов и позволяет быстро и безболезненно решать проблему повышения уровня глюкозы в крови. Более того, разработчики утверждают, что созданную ими систему можно персонализировать в зависимости от массы тела пациента и чувствительности его тканей к инсулину.

К поверхности тонкой полоски из оксида кремния прикреплено более сотни микроигл.

Люди с сахарным диабетом 1 типа и тяжелыми формами сахарного диабета 2 типа вынуждены регулярно измерять уровень глюкозы в крови с помощью глюкометра, что подразумевает укол пальца для получения капли крови, и самостоятельно вводить себе подкожные инъекции инсулина. Эти процедуры не только болезненны, но и в определенной степени рискованны. Введение неадекватной дозы инсулина может приводить к серьезным осложнениям, таким как утрата зрения или необходимость ампутации конечностей, или даже к таким катастрофическим последствиям, как развитие диабетической комы и смерть.

Авторы сделали все возможное, чтобы устранить потенциальный риск ошибок, обусловленный человеческим фактором. Для этого они создали систему с замкнутым контуром, непосредственно соединяющую устройства, одно из которых измеряет уровень глюкозы в крови, а второе – вводит инсулин.

Традиционно такие подходы подразумевают использование механических сенсоров и насосов, соединенных с оканчивающимися иглами катетерами. Эти катетеры вводятся под кожу и нуждаются в замене каждые несколько дней.

Вместо создания очередной полностью рукотворной системы исследователи решили имитировать естественные генераторы инсулина, то есть бета-клетки поджелудочной железы. Эти клетки не только секретируют инсулин, но и выступают в роли депо, сохраняя инсулин внутри специальных мембранных пузырьков, или везикул. В ответ на регистрируемые клетками повышения уровня глюкозы в крови инсулин высвобождается из везикул и поступает в кровоток. 

Авторы создали искусственные везикулы, состоящие из двух органических соединений: гиалуроновой кислоты и 2-нитроимидазола. При смешивании в водной среде молекулы этих соединений самопроизвольно формируют множество везикул, внутренняя поверхность которых обладает гидрофобными, а внешняя – гидрофильными свойствами. Внутрь каждой из везикул, диаметр которых в 100 меньше толщины человеческого волоса, исследователи ввели твердое ядро, содержащее инсулин и чувствительные к уровню глюкозы ферменты.

В лабораторных экспериментах при повышении уровня глюкозы в крови содержащиеся в везикулах ферменты конвертировали глюкозу в глюконовую кислоту, что сопровождалось поглощением большого количества кислорода. Это вызывало локальную гипоксию, меняющую гидрофобные свойства нитроимидазола на гидрофильные, что приводило к быстрому разрушению везикул и высвобождению инсулина.

В качестве инструмента для доставки содержащих инсулин везикул в организм авторы предлагают использовать разработанный ими покрытый микроиглами пластырь. Наполненные везикулами микроиглы также изготавливают из гиалуроновой кислоты, являющейся основным компонентом везикул. Однако в данном случае используется более плотная ее форма, обеспечивающая возможность прокалывания верхних слоев кожи. При нанесении такого пластыря на кожу покрывающие его микроиглы через верхние слои кожи проникают внутрь поверхностных капилляров.

Для проверки эффективности разработанного подхода авторы провели эксперименты на мышиной модели сахарного диабета 1 типа. При введении животным группы контроля стандартных инъекций инсулина концентрация глюкозы в их крови снижалась до нормальных показателей, однако впоследствии быстро повышалась до гипергликемических уровней. 

В то же время нанесение на кожу животных экспериментальной группы инсулинового пластыря за 30 минут возвращало уровень глюкозы в крови до нормальных значений и обеспечивало его поддержание в таком состоянии в течение нескольких часов.

Помимо этого исследователи продемонстрировали возможность «настраивания» пластыря на изменение уровней глюкозы в крови только в определенных границах путем изменения концентрации фермента внутри микроигл. Они также установили, что применение пластыря исключает риск чрезмерного снижения уровня глюкозы в крови, ассоциированный с частыми инъекциями инсулина.

Учитывая меньшую чувствительность мышей к инсулину по сравнению с человеком, исследователи считают, что при применении в клинической практике стабилизирующие уровень глюкозы в крови эффекты инсулинового пластыря могут сохраняться на протяжении более длительных периодов времени. Они отмечают, что конечной целью работы является создание пластыря, который можно будет менять один раз в несколько дней.

Статья Jicheng Yu et al. Microneedle-array patches loaded with hypoxia-sensitive vesicles provide fast glucose-responsive insulin delivery опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Евгения Рябцева

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам North Carolina State University:
Smart Insulin Patch Could Replace Painful Injections for Diabetes