Доставка лекарств — это улучшение эффективности и безопасности терапии путем доставки правильной дозы правильного препарата в правильное место с правильной скоростью и в правильное время. Подходы к доставке лекарств существуют уже много сотен лет; египетские врачи создали оральные таблетки и мази, а врачи начали использовать внутривенную доставку после того, как в 1657 году впервые была описана кровеносная система. Технологии контролируемого высвобождения появились в середине-1900х годов. [1]
Преимущества использования системы доставки лекарств включают в себя: [1, 2]
• доставка в течение длительных периодов
• больше удобства для пациента
• доставка лекарств, которые трудно поддаются формулированию, таких как крупные биомолекулы, плохо растворимые в воде лекарства или лекарства с узким терапевтическим окном
• доставка лекарств через физиологические барьеры, например, через кожу, гематоэнцефалический барьер и гемато-ретинальный барьер
• локальная доставка, снижающая системную токсичность и позволяющая использовать более низкие дозы лекарств.
Проблемы, с которыми приходится сталкиваться при разработке систем доставки лекарств, включают: [1-3]
• включение и контроль сложных графиков дозирования или персонализированного дозирования в систему доставки
• работа с различными реакциями на лекарства, вызванными периодическими биологическими колебаниями
• предоставление многолекарственных схем лечения
• сохранение стабильности лекарственных средств при нахождении в системе доставки.
Системы доставки лекарств варьируются от гелей и пластырей до микросфер и наночастиц, а также сложных устройств, таких как внешние или имплантированные насосы и микроэлектромеханические системы (МЭМС).
Введение в микроэлектромеханические системы
MEMS — это небольшие интегрированные устройства, объединяющие электрические и механические компоненты, которые стали возможными благодаря достижениям в области микрофлюидики и миниатюризации электроники. Они варьируются от простых систем без подвижных частей до очень сложных систем. MEMS могут быть изготовлены асептически с использованием биосовместимых материалов, и они могут быть герметично запечатаны. Препарат MEMSдоставкаУстройства обычно состоят из трех компонентов: камеры для препарата, механизма высвобождения препарата и упаковки, и могут включать датчики, каналы, насосы, клапаны, иглы, мембраны и один или несколько резервуаров для препарата. [1-5]
Устройства MEMS могут быть имплантируемыми или носимыми и иметь применение при хронических и долгосрочных заболеваниях. Они могут доставлять лекарства в определенные места, а некоторые могут доставлять более одного лекарства. Устройства со встроенными датчиками могут адаптировать скорость доставки к потребностям пациента на основе обнаружения жизненно важных показателей или биомаркеров. [1, 5, 6]
MEMS небольшие и легкие, их можно легко интегрировать с электрическими и электронными схемами. MEMS-устройства могут быть с питанием или без питания. MEMS-устройства с питанием имеют низкое энергопотребление и могут быть автономными. Однако у MEMS-устройств есть ряд недостатков. Они могут быть хрупкими и могут выходить из строя из-за загрязнения, усталости, трения или износа. [5]
Доставка лекарств с помощью МЭМС без электропитания
Устройства MEMS без питания могут быть меньше устройств с питанием, поскольку им не требуется источник питания. Скорость их доставки может быть изменена путем использования различных материалов или лекарственной формулы, а также свойствами окружающей среды в месте доставки. Однако они могут иметь низкую скорость высвобождения и медленно реагировать на внешние раздражители. Скорость доставки, как правило, нельзя изменить или остановить после введения. Подходы без питания включают пассивные диффузионные устройства, осмотическое давление, гидрогели и микроиглы. [1]
Доставка лекарств с помощью MEMS
Устройства MEMS с питанием сложнее и часто больше, чем устройства без питания, но они имеют более высокие скорости высвобождения, более быстрые ответы и могут управляться извне. Микронасосы могут быть электромагнитными, пьезоэлектрическими, электростатическими, термопневматическими, биметаллическими, электрохимическими или использовать сплав с термической/форменной памятью, среди других подходов. [1]
Устройства для доставки лекарств с питанием позволяют врачам точно настраивать доставку лекарств с помощью мониторинга в реальном времени и физических датчиков. Например, внешняя поджелудочная железа, объединяющая инсулиновую помпу с непрерывным мониторингом глюкозы, может программироваться и контролироваться извне через смартфон или планшет. [1]
Применение МЭМС: доставка лекарств в мозг
Разработка эффективных методов лечения расстройств центральной нервной системы, включая нейродегенеративные расстройства, инсульт и рак мозга, основана на доставке лекарств в мозг. Однако мозг очень эффективно защищен гематоэнцефалическим барьером, гематоцереброспинальным барьером и арахноидальным барьером, и преодоление их является сложной задачей. Системы MEMS, которые достаточно малы для имплантации, могут управляться извне с большой точностью и могут доставлять один или несколько препаратов, предлагают потенциальное решение. [7, 8]
Потенциальные подходы к доставке лекарств с помощью МЭМС в мозг включают беспроводное управление электролитическим зондом, который может доставлять лекарство в область, расположенную глубоко в мозге, внутриопухолевую доставку химиотерапевтического препарата при глиобластоме или внутричерепную доставку лекарств к опухолям мозга с использованием мягкого биоразлагаемого электронного устройства, где доставка лекарств запускается по беспроводной связи, а затем МЭМС биоразлагается по истечении определенного периода времени. [9-11]
Применение МЭМС: доставка лекарств через кожу
Доставка лекарств через кожу — неинвазивный способ, удобный для пациентов и лиц, осуществляющих уход. Роговой слой — это первая линия защиты организма, удерживающая воду и защищающая организм от патогенов. Это делает трансдермальныйдоставкасложная задача. Трансдермальные пластыри, в состав которых входят химические проникающие материалы, могут вызывать аллергию, воспаление и раздражение кожи, а это влияет на соблюдение режима приема лекарств. [12]
Массивы, состоящие из сотен микроигл, могут проникать в роговой слой и безболезненно доставлять лекарства трансдермально и внутридермально, включая малые молекулы, белки, пептиды, гормоны, генетический материал и вакцины. Подходы включают: [1, 3, 13]
• Твердые микроиглы из кремния, металла, стекла, керамики или полимеров можно использовать для прокалывания рогового слоя кожи с целью улучшения трансдермальной абсорбции через пластырь.
Твердые микроиглы с лекарственным покрытием позволяют лекарству растворяться в коже.
• Микроиглы на основе углеводов или полимеров впитывают лекарственный препарат и разрушаются после введения, позволяя препарату проникнуть в кожу.
• Полые микроиглы, изготовленные из кремния, металла или стекла, действуют как канал, доставляющий лекарство из резервуара.
• Гидрогелевые микроиглы прокалывают кожу и разбухают, высвобождая лекарственное средство.
Применение МЭМС: доставка лекарств в глаз
Как и мозг, глаз защищен биологическими барьерами, и доставка является сложной задачей. Устройство ex vivo, работающее с использованием внешнего магнитного поля, может потенциально доставлять лекарства в склеру, сосудистую оболочку и сетчатку. [14] Микроиглы также имеют потенциал для доставки лекарств в глаз. Изучаемые подходы включают пластырь в форме контактной линзы с растворимыми иглами, переносящими лекарство, криоиглы антибиотиков для бактериальной инфекции и микроиглы, загруженные наночастицами, для введения лекарств в заднюю часть глаза с помощью ионофореза. [13]
Ссылки
1. Кобо, А., Р. Шейбани и Э. Мэн, МЭМС: Системы доставки лекарств с возможностью использования. Adv Healthc Mater, 2015. 4(7): стр. 969-82.
2. Мендоса, Л.А.В. и др., Последние достижения в области микроэлектромеханических устройств для контролируемого высвобождения лекарств. Front Bioeng Biotechnol, 2020. 8: стр. 827.
3. Ли, Х. Дж. и др., Устройства МЭМС для доставки лекарств. Adv Drug Deliv Rev, 2018. 128: стр. 132-147.
4. Панди, Й. и С. П. Сингх, Последние достижения в области био-МЭМС и будущие возможности: обзор. Журнал Института инженеров (Индия): Серия B, 2023. 104: стр. 1377-1388.
5. Чирков, К. и А. М. Грумезеску, Микроэлектромеханические системы (МЭМС) для биомедицинских применений. Micromachines (Базель), 2022. 13(2).
6. Мишра, А., Тенденции развития рынка устройств доставки лекарств. Drug Delivery Leader, 5 октября 2023 г. Доступно по адресу: https://www.drugdeliveryleader.com/doc/emerging-market-trends-for-drug-delivery-devices-0001.
7. Tian, M., Z. Ma и GZ Yang, Микро/наносистемы для контролируемой доставки лекарств в мозг. Innovation (Camb), 2024. 5(1): стр. 1005-48.
8. Вильярруэль Мендоса, Л. А. и др., Последние достижения в области микроэлектромеханических устройств для контролируемого высвобождения лекарств. Front Bioeng Biotechnol, 2020. 8: стр. 827.
9. Юн, И. и др., Система нейронных зондов для поведенческой нейрофармакологии с помощью двунаправленной беспроводной доставки лекарств и электрофизиологии у социально взаимодействующих мышей. Nat Commun, 2022. 13(1): стр. 5521.
10. Саксена, В., DNAtrix подписывает соглашение об использовании платформы MEMS компании Alcyone для прямой доставки лекарств в глиобластому. Fierce Pharma, 26 мая 2015 г. Доступно по адресу: https://www.fiercepharma.com/drug-delivery/dnatrix-signs-agreement-to-utilize-alcyone-s-mems-platform-for-direct-drug-delivery.
11. Cicha, I., et al., Биосенсорно-интегрированные системы доставки лекарств как новые материалы для биомедицинских применений. Biomolecules, 2022. 12(9).
12. Мерфри, МБ, Дж. Х. Мяо и П. М. Зито, Гистология рогового слоя, в StatPearls. 2024: Treasure Island (Флорида).
13. Umeyor, CE, et al., Биомиметические микроиглы: изучение последних достижений в области микроизготовленной системы для точной доставки лекарств, пептидов и белков. Future Journal of Pharmaceutical Sciences, 2023. 9: стр. 103.
14. Пирморади, Ф.Н. и др., Контролируемая доставка антиангиогенного препарата в ткани глаза человека с использованием устройства MEMS. 2013 IEEE 26th Int Conf Micro Electro Mech Syst MEMS 2013 (2013), 2013. 2013.