標準サイズの皮下注射針の狭い開口部の内側に、着色された染料を含む密封された微粒子が示されています。 クレジット: Brandon Martin/ライス大学
ライス ラボによって開発された技術は、徐放性の薬剤とワクチンを数か月間提供できる可能性を秘めています。
ライス大学の生物工学者によって開発された新技術のおかげで、医薬品やワクチンの必要不可欠な投与量を逃すという問題は過去のものになる可能性があります。 この最新技術により、徐放性薬物の製造が可能になります。
「これは慢性疾患の治療における大きな問題です」と、オンラインで公開された技術に関する研究の責任著者であるケビン・マクヒューは述べています。 先端材料. 「50%の人が薬を正しく服用していないと推定されています。 これがあれば、彼らに 1 回のショットを与えるだけで、次の 2 か月間は準備万端です。」
処方薬を正しく服用しないと壊滅的な結果を招く可能性があり、その結果、驚異的な年間費用が発生します。 米国だけでも、100,000 人以上の死亡者、入院患者の 25% に相当する数、1,000 億ドルを超える医療費が含まれていると推定されています。
時間の経過とともに薬物を溶解して放出する微粒子に薬をカプセル化することは、新しいアイデアではありません。 しかし、McHugh と大学院生の Tyler Graf は、21 世紀の方法を使用して、先行技術よりもはるかに用途の広い、次のレベルのカプセル化技術を開発しました。
タイラー・グラフ（左）とケビン・マクヒュー。 クレジット: Brandon Martin/ライス大学
PULSED (Particles Uniformly Liquified and Sealed to Encapsulate Drugs) と呼ばれるこの技術は、高解像度 3D 印刷とソフト リソグラフィーを使用して、標準的な皮下注射針で注射できるほど小さい、300 以上の無毒で生分解性のシリンダーのアレイを生成します。
シリンダーは、臨床医療で広く使用されているPLGAと呼ばれるポリマーでできています。 McHugh と Graf は、マイクロシリンダーに薬物を充填する 4 つの方法を実証し、PLGA レシピを微調整して、粒子が薬物を溶解して放出する速度を、わずか 10 日からほぼ 5 週間まで変化させることができることを示しました。 彼らはまた、シリンダーを密閉するための迅速かつ簡単な方法を開発しました。これは、技術が拡張可能であり、徐放性薬物送達の主要なハードルに対処できることを実証するための重要なステップです。
「私たちが克服しようとしているのは、『一次放出』です」と McHugh 氏は、現在の薬物カプセル化方法の特徴である不均一な投与について言及しました。 「一般的なパターンは、多くの薬が初日に早期にリリースされることです。 そして 10 日目には、1 日目の 10 分の 1 になるかもしれません。
ライス大学の生物工学者であるケビン・マクヒューの研究室では、顕微鏡スライドの上に中空微粒子の配列が置かれています。 着色された色素を充填した粒子は、徐放性薬物送達用に設計されており、標準的な皮下注射針を通すのに十分な大きさです。 クレジット: Brandon Martin/ライス大学
「大きな治療ウィンドウがある場合、10 日目に 10 分の 1 未満のリリースでも問題ないかもしれませんが、それはめったにありません」と McHugh 氏は述べています。 「ほとんどの場合、それは本当に問題があります。初日の投与量が毒性に近づくため、またはその後の時点で 10 分の 1、または 4 倍または 5 分の 1 未満の量になるだけでは効果を発揮するのに十分ではないためです。」
多くの場合、患者が治療中に体内に同じ量の薬物を保持することが理想的です。 McHugh 氏は、PULSED はその種のリリース プロファイルに合わせて調整でき、他の方法でも使用できると述べています。
「この特定のプロジェクトに対する私たちの動機は、実際にはワクチンの分野から来ました」と彼は言いました。 「予防接種では、何ヶ月にもわたって複数回の接種が必要になることがよくあります。 低所得国や中所得国では、医療へのアクセスの問題があるため、これを行うのは非常に困難です。 アイデアは、「拍動放出を示す粒子を作ったらどうなるか?」というものでした。 そして、生分解性ポリマーシェル内のポケットにワクチンを入れるこのコアシェル構造は、そのようなオールオアナッシングの放出イベントを生成し、遅延タイミングを設定する信頼できる方法を提供できると仮定しました。リリース。”
ライス大学博士号学生の Tyler Graf は、徐放性薬物送達に使用できる 300 を超える小さな生分解性粒子の配列を保持する顕微鏡スライドを持っています。 クレジット: Brandon Martin/ライス大学
PULSED は、数か月にわたる放出遅延についてはまだテストされていませんが、McHugh 氏によると、他のラボからの以前の研究では、PLGA カプセルは注射後 6 か月も薬物を放出するように処方できることが示されています。
Graf と McHugh は、彼らの研究で、400 ミクロンから 100 ミクロンの範囲の直径の粒子を作成してロードできることを示しました。 McHugh 氏によると、このサイズにより、粒子は溶解するまで注入された場所にとどまることができ、癌性腫瘍などの特定の場所に 1 つまたは複数の薬物を大量または連続的に投与するのに役立つ可能性があります。
「有毒ながん化学療法の場合、体の他の部分ではなく、腫瘍に毒を集中させたいと思うでしょう」と彼は言いました. 「人々はそれを実験的に行い、可溶性薬物を腫瘍に注入しました。 しかし、問題は、それが拡散するのにどれくらいの時間がかかるかということです.
「私たちの微粒子は、置いた場所にとどまります」と McHugh 氏は言います。 「この考えは、化学療法をより効果的にし、必要な場所に正確に薬物を集中的に投与することで、その副作用を軽減することです。」
研究を説明するビデオ。 クレジット: ライス大学
非接触シール方式の重要な発見は、偶然にも起こりました。 McHugh 氏によると、以前の研究では徐放性薬物カプセル化に PLGA 微粒子を使用することが検討されていましたが、多数の粒子を密封することは非常に困難であることが判明したため、多くの用途では製造コストが非現実的であると考えられていました。
別のシーリング方法を検討しているときに、Graf は、マイクロ粒子を別の溶融ポリマーに浸してシーリングしようとしても、望ましい結果が得られないことに気付きました。 「最終的に、微粒子を液体ポリマーに浸す必要があるかどうか疑問に思いました」と、PLGA微粒子をホットプレートの上に懸濁させ、粒子の上部を溶融させ、底部を自己密封できるようにするGraf氏は述べています。 「これらの最初の粒子バッチはかろうじて密閉されていましたが、プロセスが可能であることが非常にエキサイティングでした。」さらなる最適化と実験により、シリンダーの一貫した堅牢な密閉が実現し、最終的には製造におけるより簡単なステップの 1 つであることが証明されました。徐放性薬物カプセル。 円柱の各 22×14 配列は切手とほぼ同じ大きさで、グラフはそれらをガラス製の顕微鏡スライドの上に作成しました。
アレイに薬物をロードした後、Graf 氏はそれをホット プレートの約 1 ミリ上に短時間吊るすと述べた。 「私はそれをひっくり返して、両端に 1 つずつ、別の 2 つのスライド ガラスの上に置いて、密閉するのにかかる時間をタイマーに設定します。 ほんの数秒しかかかりません。」
参照: 「パルス性薬物放出による生分解性微粒子を製造するためのスケーラブルなプラットフォーム」Tyler P. Graf、Sherry Yue Qiu、Dhruv Varshney、Mei-Li Laracuente、Erin M. Euliano、Pujita Munnangi、Brett H. Pogostin、Tsvetelina Baryakova、Arnav Garyali と Kevin J. McHugh、2023 年 3 月 2 日、 先端材料.
DOI: 10.1002/adma.202300228
この研究は、テキサス州のがん予防研究所によって資金提供されました。 国立衛生研究所、および国立科学財団。