Bringing medical advances from the lab to the clinic
关键词：头足类动物；无针喷射；胃肠道；药物递送系统；Nature头足类动物，如乌贼和章鱼，以其独特的喷墨和喷射能力而闻名，这些能力在逃避捕食者时发挥着关键作用。它们通过调节外套膜内的压力，将水和墨汁通过可操纵的漏斗喷出，形成方向性的推力或墨汁云。
这种喷射机制不仅在生物学上具有独特性，也为人类提供了一种无针注射的灵感。
在医学领域，传统的皮下注射方法虽然有效，但存在一些局限性，包括需要专业操作、锐器处理和处置问题，以及在自主式可摄入系统中的挑战。此外，对于胃肠道等体内腔道的给药，针剂注射方式面临着更多的技术难题，如组织穿透深度的控制、药物分布的均匀性以及对周围组织的损伤。
针对这些挑战，科学家们一直在探索新的给药技术，以提高药物的生物利用度，减少给药过程中的痛苦和风险，并扩大治疗药物的种类和范围【1】。
2024年11月20日，麻省理工学院的 Giovanni Traverso等研究人员在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表题为 Cephalopod-inspired jetting devices for gastrointestinal drug delivery 的文章【2】。
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（如需原文，请加微信healsana获取，备注20241120Nature）研究者成功开发了轴向（Axial）和径向（Radial）两种微喷射给药系统，分别针对胃肠道的不同解剖部位。轴向系统适用于腔状或球形器官，如胃或结肠；径向系统适用于较窄的管状器官，如食管或小肠。![]()
图1. 轴向和径向MiDe喷射概念用于无针药物输送至胃肠器官
通过体外实验，研究者确定了喷嘴直径固定在257 µm时，不同输入压力（2.9-55.4 bar）对猪的颊、食管、胃、空肠、结肠和直肠组织的喷射效果。结果表明，对于任何给定的喷嘴直径，喷射功率与胃肠道组织的VDE（体积输送效率）之间存在正相关。![]()
图2. 喷射动力学和组织学特征揭示了穿透粘膜屏障后的药物流位置
🔷 药物输送效率：
研究者通过体外实验，使用微CT对比剂和绿色染料溶液，对不同组织类型的喷射效果进行了量化。例如，在空肠组织中，通过高速成像观察到形成了药物沉积；组织学图像显示了药物在空肠和胃组织中的分布。
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图3. 在多个胃肠部位进行液体喷射后体外组织的表征
🔷 体内药效学研究：
在大动物模型中，MiDe系统成功实现了胰岛素、胰高血糖素样肽-1（GLP-1）类似物和小型干扰RNA（siRNA）等生物大分子的输送，并达到了与传统皮下注射相似的药物暴露水平。
🔷 安全性和有效性：
在体内实验中，MiDe系统显示出良好的安全性，未引起显著的不良反应，且在胃肠道内的药物输送效率显著高于现有的口服给药方法。
🔷 自主式和内镜式装置的应用：
研究者展示了MiDe系统在内镜辅助下的应用以及作为自主式装置的潜力，这些装置能够在预定位置释放药物，且在胃肠道内安全通过。
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图4. 使用概念验证喷射装置进行的体内测试
🔷 药物输送的精确性：
通过使用pH敏感胶囊等技术，研究者证明了MiDe系统能够精确地在小肠预定位置激活。在一项概念验证研究中，6只动物中有4只成功在近端小肠激活，并通过C臂荧光透视和对比剂准确追踪了设备在胃肠道中的通过和激活，进一步证实了其在胃肠道内精确给药的能力。
结果表明，MiDe系统作为一种新型的无针药物输送技术，具有在胃肠道内输送生物大分子的潜力，并可能在未来的临床应用中发挥重要作用。
本研究开发的头足类启发的微喷射给药系统（MiDe系统）在临床和科研上具有重要意义。临床上，这种无针喷射技术能够提供一种更为安全、便捷的胃肠道药物输送方式，尤其适用于那些需要频繁注射生物大分子药物的患者，如糖尿病患者。它减少了针剂注射带来的痛苦和感染风险，同时避免了锐器处理和处置问题。MiDe系统的成功研发为未来药物输送技术的发展提供了新的方向，特别是在胃肠道内镜和可摄入药物输送装置的设计和优化方面。此外，该系统在大动物模型中显示出与传统皮下注射相似的药物暴露水平，为生物大分子药物的口服和内镜输送提供了有力的科学依据，有望推动相关药物输送技术的进步和创新。
【1】Hikidi, Y. et al. An elaborate behavioural sequence reinforces the decoy effect of ink during predatory attacks on squid. J. Ethol. 38, 155–160 (2020).【2】https://doi.org/10.1038/s41586-024-08202-5本文只是分享和解读公开的研究论文及其发现，以作科学文献记录和科研启发用；并不代表作者或本公众号的观点，更不代表本公众号认可研究结果或文章。为了给大家提供一个完整而客观的信息视角，我们有时会分享有冲突或不同的研究结果。请大家理解，随着对疾病的研究不断深入，新的证据有可能修改或推翻之前的结论。作者：Amber Wang；助理：ChatGPT；编辑：Jessica，微信号：Healsanq，加好友请注明理由。美国Healsan Consulting(恒祥咨询)，专长于Healsan医学大数据分析（Healsan™）、及基于大数据的Hanson临床科研培训（HansonCR™）和医学编辑服务（MedEditing™）。主要为医生科学家、生物制药公司和医院科研处等提供分析和报告，成为诸多机构的“临床科研外挂”。点击👆；From Bench to Bedside, Healsan Paves the Path.更多阅读
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