设计可以防止医疗植入物周围瘢痕组织的积聚
药物输送系统包括一个驱动器,每12小时反复充气和放气5分钟。这种机械偏转可以防止免疫细胞在设备周围聚集。
由研究人员提供

设计可以防止医疗植入物周围瘢痕组织的积聚

有了一种新的方法,通常在医疗植入物周围形成的疤痕组织有了一种更一致的结构,使药物更容易通过。

2022年9月4日

将胰岛素释放到体内的植入式装置有望成为一种不需要注射胰岛素或插入胰岛素管的治疗糖尿病的替代方法。然而,迄今为止阻碍它们使用的一个障碍是,免疫系统在植入后攻击它们,形成一层厚厚的疤痕组织,阻止胰岛素的释放。

这种现象被称为异物反应,也会干扰许多其他类型的植入式医疗设备。然而,麻省理工学院的一组工程师和合作者已经设计出一种方法来克服这种反应。在一项针对老鼠的研究中,他们表明,当他们将机械驱动整合到一个软机器人装置中时,该装置的功能维持时间比典型的药物输送植入物要长得多。

研究人员发现,该设备每12小时反复充气和放气5分钟,这种机械偏转阻止了免疫细胞在设备周围聚集。

机械工程莱瑟姆家庭职业发展副教授、麻省理工学院医学工程与科学研究所成员艾伦·罗奇(Ellen Roche)说:“我们正在使用这种类型的运动来延长这些可以输送胰岛素等药物的植入水库的寿命和功效,我们认为这个平台可以扩展到超出这一应用。”

在其他可能的应用中,研究人员现在计划看看他们是否可以使用该设备输送胰岛细胞,作为“生物人工胰腺”来帮助治疗糖尿病。

罗氏是这项研究的资深合著者,她与艾米尔·多兰(Eimear Dolan)是该实验室的前博士后,现在是爱尔兰国立戈尔韦大学的教员。加里·达菲也是国立戈尔韦大学的教授,他是这项研究的主要合作者自然通讯麻省理工学院博士后William Whyte和Debkalpa Goswami以及访问学者Sophie Wang是这篇论文的主要作者。

调节免疫细胞
大多数1型糖尿病患者,以及一些2型糖尿病患者,必须每天注射胰岛素。一些患者使用可穿戴胰岛素泵,这种泵可以连接皮肤,通过插入皮肤下的管子输送胰岛素,或者使用贴片,不用管子就能输送胰岛素。

多年来,科学家们一直在研究可以植入皮下的胰岛素输送装置。然而,在这些设备周围形成的纤维囊可能会导致设备在几周或几个月内失效。

研究人员已经尝试了很多方法来防止这种疤痕组织的形成,包括局部注射免疫抑制剂。麻省理工学院的研究小组采用了一种不同的方法,不需要任何药物——相反,他们的植入物包括一个机械驱动的软机器人装置,可以充气和放气。在一个2019年的研究罗奇和她的同事(多兰是第一作者)表明,这种振荡可以调节附近的免疫细胞对植入设备的反应。

在这项新的研究中,研究人员想看看这种免疫调节效应是否有助于改善药物输送。他们制造了一个由聚氨酯制成的双腔装置,聚氨酯是一种塑料,与组织周围的细胞外基质具有相似的弹性。其中一个腔室用作药物储存库,另一个腔室用作柔软的充气致动器。使用一个外部控制器,研究人员可以刺激致动器按特定的时间表充气和放气。在这项研究中,他们每12小时执行一次驱动,每次5分钟。

这种机械驱动赶走了被称为中性粒细胞的免疫细胞,这种细胞启动了导致疤痕组织形成的过程。当研究人员将这些设备植入老鼠体内时,他们发现设备周围的疤痕组织需要更长的时间才能形成。疤痕组织最终形成了,但它的结构不同寻常:与静态装置周围缠结的胶原纤维不同,驱动装置周围的胶原纤维排列得更整齐,研究人员认为这可能有助于药物分子穿过组织。

Wang说:“短期来看,我们发现组织中设备周围的中性粒细胞减少了,而长期来看,我们发现胶原蛋白结构存在差异,这可能与我们在八周的时间内提供更好的药物有关。”

持续给药
为了证明该设备的潜在用途,研究人员展示了它可以用于给小鼠注射胰岛素。该装置的设计使胰岛素可以通过药物库的孔隙缓慢渗出,或由致动器控制大爆发释放。

研究人员通过测量小鼠随后血糖水平的变化来评估胰岛素释放的有效性。他们发现,在有驱动装置的小鼠中,有效的胰岛素输送在整个八周的研究中保持不变。然而,在没有受到驱动的小鼠中,投递效率仅在两周后就开始下降,8周后,几乎没有胰岛素能够通过纤维囊。

作者还创造了一个人体大小的版本,120毫米乘80毫米,并表明它可以成功地植入人类尸体的腹部。

戈斯瓦米说:“这是一个概念的证明,表明有一种微创手术技术可能用于更大规模的、人类规模的设备。”

研究人员与圣路易斯华盛顿大学医学院的杰弗里·米尔曼(Jeffrey Millman)合作,现在计划对该设备进行改造,使其可以用于输送干细胞来源的胰腺细胞,这些细胞可以感知葡萄糖水平,并在葡萄糖过高时分泌胰岛素。这种植入可以消除患者不断测量血糖水平和注射胰岛素的需要。

罗奇说:“我们的想法是,这些细胞将驻留在蓄水池中,它们将充当胰岛素工厂。”“他们会检测血液中的葡萄糖水平,然后根据需要释放胰岛素。”

研究人员还探索了这种设备的其他可能应用,包括传输免疫疗法来治疗卵巢癌,以及将药物输送到心脏防止心力衰竭有过心脏病发作的病人。

“你可以想象,我们可以将这项技术应用到任何被异物反应或纤维囊阻碍的地方,并产生长期影响,”罗奇说。“我认为任何一种植入式药物输送装置都可以从中受益。”