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受海洋头足类动物启发的喷射装置无需针头即可输送药物
头足类动物（如乌贼）利用其独特的喷气推进机制在水中快速移动和躲避捕食者。这种机制通过外套膜的肌肉收缩来实现，外套膜中的水被快速挤压，通过虹吸管喷射而出。虹吸管是一个灵活的管状结构，可以调节喷射方向，从而精准控制运动的路径和速度。在受到威胁时，乌贼还会通过虹吸管喷出墨汁，形成一个扩散的墨云，用来迷惑捕食者并掩护自己逃脱。这种喷气推进既高效又灵活，是头足类动物适应海洋环境的重要生存策略。受头足类动物喷射系统的启发，麻省理工学院Giovanni Traverso团队联合诺和诺德公司的S. T. Buckley开发了一种微型喷射给药系统，可以向组织发射轴向和径向喷射液体，适用于胃肠道的管状和球状结构。不仅如此，这些系统还可分为可连接设备和可吞服设备两种形式，既能用于内窥镜手术，也方便患者自行服药。作者的研究确定了适用于胃肠道不同部位的最佳压力和喷嘴尺寸，并将微型喷射技术应用于多种设备，使其能够覆盖胃肠道的各个解剖部位。这些系统已在大型动物模型中成功输送大分子药物，包括胰岛素、胰高血糖素样肽-1（GLP-1）类似物以及小干扰RNA（siRNA），药物暴露水平与皮下注射相当。这项研究为胃肠道给药的喷射设计参数提供了关键见解，大幅拓展了未来内窥镜及可吞服药物输送装置的可能性。相关成果以“Cephalopod-inspired jetting devices for gastrointestinal drug delivery”为题发表在《Nature》上。图 1：用于胃肠道器官无针药物输送的轴向和径向 MiDe 喷射概念作者通过体外实验详细表征了喷射装置的性能（如喷射周期、力、功率和压力系数），并在此基础上使用雌性约克夏猪的面颊、食道、胃、空肠、结肠和直肠组织样本开展了一系列离体喷射研究，以确定实现粘膜下注射的阈值条件。在实验中，喷嘴直径固定为257 µm，输入压力范围为2.9至55.4 bar（校正后平均安瓿压力），使用微计算机断层扫描（Micro-CT）技术对注射含造影剂和绿色染料溶液的结果进行分析。特别地，作者对空肠和胃组织进行了额外研究，因为它们是概念验证原型设备的目标器官。图2a展示了在空肠组织中形成的储库的高速成像，图2b提供了胃和空肠组织染料分布的组织学图像。实验显示，“腔内”注射仅渗透表层，“粘膜下”注射主要集中于粘膜下层，而“腹膜内”注射则渗透至粘膜下层、肌层和浆膜，但未穿透整个组织厚度。这些结果为后续优化和实际应用提供了关键参考。图 2：射流动力学和组织学特征揭示了丸剂穿过粘膜屏障的位置研究显示，作者对六种胃肠组织的粘膜下注射进行了显微 CT 扫描（图 3a），并引入了“体积输送效率”（VDE）来量化注射效果，VDE定义为组织内保留的液体体积与从安瓿中排出的液体体积的比值。通过对空肠和胃组织的三维VDE研究（图3b、c），作者发现喷射功率与VDE呈正相关，即更高的喷射功率会提高液体输送效率。实验还探索了喷嘴直径、输入压力、喷嘴与组织表面的间距和入射角的影响：当间距达到5mm时，VDE平均下降约20%；当入射角达到67.5°时，VDE平均下降约40%。这一结果表明，喷射器无需与组织表面直接接触即可实现高效输送，相比传统实心针或皮下注射针，这种非接触操作在胃肠道环境中具有显著优势，因为胃肠道中难以保证与粘膜的紧密接触。图 3：液体射流输送到多个胃肠道位置后的离体组织特征研究使用自主开发的内窥镜装置 MiDe 系统在大型动物模型中实现了胰岛素和其他大分子药物的高效输送。通过不同压力条件下的小肠和胃注射研究（图 4a–e），发现注射压力与药物生物利用度之间呈正相关，胰岛素类似物的生物利用度最高达到 90%，而长效无活性 GLP1 类似物的生物利用度为 67%。此外，使用 MiDeAxEndo 注射 21-kDa siRNA 也取得了 82%的高生物利用度（图 4d）。基于这些结果，团队开发了自主注射设备 MiDeRadAuto 和 MiDeAxAuto，验证了其在大动物体内的安全性和高效性。两种设备分别在空肠和胃中进行注射，胰岛素类似物的生物利用度达到 31% (s.d. 21) 和 23% (s.d. 4)（图 4e、g、j）。设备在胃肠道的安全通过情况通过 X 射线成像和荧光跟踪进行了全面监测，所有设备均安全通过且未引发不良事件。同时，团队进一步验证了 pH 敏感胶囊的应用，通过追踪设备的精确激活位置，确保其成功靶向小肠并安全排出胃肠道。这些研究结果不仅证明了 MiDe 系统在药物递送中的有效性和安全性，还展示了其在精准治疗中的潜力。本文开发了一系列 MiDe 系统，这些无针喷射装置可以在胃肠道内精准递送大分子药物，并显著提高生物利用度，相较传统口服方法有数量级提升。优化的 MiDeAxEndo 系统在特定压力条件下实现了 31% 和 27% 的胰岛素生物利用度，自主设备 MiDeRadAuto 和 MiDeAxAuto 分别达到了 68% 和 16%，展示了其在不同注射条件下的潜力。通过调整喷嘴角度和压力等参数，作者验证了喷射条件对药物输送效率的关键影响。实验还表明，这些装置不仅能递送胰岛素、GLP1 类似物和 siRNA，还可能支持更大分子量药物的吸收。未来开发将聚焦设备的小型化、多剂量设计和制造优化，同时探索其他治疗剂的体内测试，以应对不同患者的解剖和生理差异。这些设备以减少药物总用量为目标，为生物制剂的胃肠道口服递送提供了一种创新方案，为实现无针化、安全、精准的药物递送开辟了新方向。![]()
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