Các hạt nano tích điện âm giúp vận chuyển các protein đường uống bằng cách tăng cường tính thấm của thành ruột

Dịch giả: Trương Hoàng Thiện

Hiệu đính: TS. Võ Đức Duy

CÔNG NGHỆ MỚI

Một khởi đầu mới cho các loại thuốc peptide đường uống

Các hạt nano tích điện âm có kích thước khoảng 50 nm cho phép tăng hấp thụ insulin và các loại thuốc peptide khác bằng cách tăng cường tính thấm của thành ruột.

Hấp thụ thuốc bằng đường uống rất đơn giản và không phải dùng đến phương pháp xâm lấn (non-invasive). Mặc dù thuốc dạng nhỏ được thiết kế để dễ hấp thu sau khi uống, nhưng thuốc protein và peptide thường không tồn tại được lâu trong môi trường khắc nghiệt của đường tiêu hóa và thường được dùng bằng đường tiêm.

Điều này là do cơ chế sinh lý chính của đường tiêu hóa là tiêu hóa các thành phần thức ăn không hấp thụ được (như protein) thành các chất dinh dưỡng nhỏ có thể hấp thụ được và tạo thành hàng rào chống lại các thực thể có hại như độc tố vi khuẩn và vi rút gây bệnh. Peptide thể được ổn định chống lại suy thoái bằng cách sử dụng công thức nano và thay đổi cấu trúc hóa học, và hấp thu qua đường ruột có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các tác nhân để xử lí (còn gọi là chất hỗ trợ hấp thu) hoặc bằng cách nhắm mục tiêu vận chuyển qua ruột. Các chiến lược này nói chung đã dẫn đến sự gia tăng về sinh khả dụng qua đường uống và việc mở rộng quy mô của chúng từ loài chuột sang động vật lớn hơn là rất khó khăn.

Để tránh những hạn chế này, các thiết bị kim tiêm kích thước micro (microneedle) được thiết kế để tiêm insulin một đại phân tử khác vào niêm mạc dạ dày hoặc ruột. Trong tạp chí Nature Biomedical Engineering, Kathryn Whitehead và các đồng nghiệp hiện nay cho thấy một cách tiếp cận độc đáo để tăng cường hấp thụ peptide vào thành ruột : việc sử dụng các hạt nano silica điện tích âm trong một phạm vi kích thước hẹp, các nhà nghiên cứu cho thấy thúc đẩy việc hấp thụ các thuốc peptide qua đường uống (trong trường hợp này, insulin và glucagon-like peptide-1 thụ thể được sử dụng), và cho thấy tác dụng phụ không đáng kể.

Whitehead và các đồng tác giả đã sử dụng các hạt nano silica có sẵn trên thị trường có đường kính 20 – 200 nm để khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt nano và điện tích bề mặt đối với rào cản của ruột thông qua mô hình Caco-2 – một mô hình in vitro thường được sử dụng về giới hạn hấp thụ biểu mô ruột. Họ phát hiện ra rằng các hạt nano điện tích âm 20 – 50 nm đường kính làm Caco-2 đơn lớp rò rỉ với các hợp chất ưa nước có kích thước ít nhất 4 kDa, có kích thước tương đương với những insulin và exenatide. Vì các hợp chất ưa nước không thấm qua màng tế bào một cách dễ dàng, các tác giả cho rằng các hạt nano ảnh hưởng đến tính thấm của các điểm nối chặt chẽ – không gian ngoại bào giữa các tế bào trong lớp tế bào đơn lớp (Hình 1a). Lõi silica trong các hạt nano của các tác giả có thể thay đổi mà không làm mất tính thẩm thấu tăng cường, điều này cũng cho thấy rằng bề mặt và kích thước hạt nano (chứ không phải vật liệu) đang gây ra tính thấm tăng lên. Tuy nhiên, trong mô hình Caco-2, hạt nano có khả nắng xâm nhập trực tiếp lên bề mặt biểu mô; in vivo, lớp chất nhầy (một hydrogel, ba chiều) tạo thành một hàng rào bảo vệ giữa lòng ruột và hàng rào biểu mô. Trên thực tế, các tác giả đã phát hiện ra rằng, ở thành ruột chuột, các hạt nano 20 nm không thể tăng tính thấm của thành ruột (có lẽ là do chúng bị mắc kẹt bởi hàng rào chất nhầy thông qua liên kết với protein mucin), trong khi các hạt nano lớn hơn 50 nm vẫn hoạt động.

Hình 1 | Cơ chế mở mối nối để tăng cường tính thấm của thành ruột.

Kết quả của Whitehead và các đồng tác giả cũng ủng hộ sự tồn tại của “cửa sổ an toàn” (ở chuột) đối với sự thẩm thấu của thành ruột: sau khi uống, các hạt nano 50 nm không làm tăng tính thẩm thấu của các phân tử lớn (như được hiển thị với đánh dấu ưa nước có kích thước bằng protein vi khuẩn). Ngoài ra, chất tăng cường tính thẩm thấu (đối với các phân tử đánh dấu có kích thước tương tự như insulin) đạt cực đại và ngừng trong khoảng thời gian 4 giờ, và các hạt nano không vượt qua mô biểu mô và không làm hỏng nó (các tác giả không quan sát thấy bất kỳ dấu hiệu thay đổi nào hình thái đường ruột hoặc của sự viêm sau 24h sau khi bắt đầu các thí nghiệm). Các tác giả cũng nghiên cứu ảnh hưởng của các hạt nano đối với khả năng sinh học tương đối và hoạt tính sinh học tương đối của insulin và exenatide. Hai giờ sau khi uống các hạt nano 50 nm, liều thực tế là 1 đơn vị quốc tế cho mỗi kg cân nặng, insulin được đưa trực tiếp vào ruột của những con chuột khỏe mạnh (để tránh tiêu hóa ở dạ dày), dẫn đến khả dụng sinh học tương đối tuyệt vời là 85% đối với insulin và 10% đối với exenatide. Các chênh lệch lớn trong sinh khả dụng tương đối giữa hai peptide có thể một phần là kết quả của sự khác biệt về điện tích bề mặt của peptide, vì nút giao thông là đặc hiệu cho điện tích dương (cation-selective) và hai peptide có kích thước tương tự; nhiều khả năng, nó cũng có liên quan trong thực tế là exenatide được dùng ở dạng đóng gói, trong đó sẽ có kết quả do trạng thái khác nhau của tiếp xúc của thuốc và các enzym tiêu hóa. Hoạt tính sinh học tương đối của hai loại thuốc phụ thuộc vào cả liều lượng hạt nano và insulin. Một kết quá đáng mong đợi, động học của glucose giảm sau khi được hấp thụ ở ruột của thuốc bền vững hơn sau khi tiêm dưới da. Trong một mô hình phân phối thuốc thực tế hơn cho insulin, trong đó những con chuột đã nhịn ăn được cho một liều uống hạt nano, sau đó là một liều insulin được đóng gói trong viên nang bao tan trong ruột 2 giờ sau đó (thời điểm mà mức tăng cường dự kiến ​​đạt đến đỉnh điểm), hoạt tính sinh học tương đối trong khoảng 20 – 30% thu được đối với cả chuột bị hạ đường huyết và tiểu đường.

Cơ chế đằng sau sự tăng cường thẩm thấu qua thành ruột của hạt nano là gì? Thí nghiệm của Whitehead và đồng tác giả cung cấp một số manh mối. Bằng cách sử dụng các kháng thể chống lại các tiểu đơn vị khác nhau và các chất ức chế kinase nhắm vào các enzym truyền tín hiệu khác nhau, các tác giả nhận thấy rằng khi các đơn vị α-tiểu đơn vị khác nhau (α-subunits) (như alpha-6 và alpha-V) bị ức chế khi có mặt các hạt nano, thì tính thấm thăm dò ưa nước calcein giảm; tuy nhiên, việc ức chế các tiểu đơn vị β không có tác dụng. Bằng cách sử dụng một loạt các chất ức chế protein kinase để ức chế các enzym truyền tín hiệu quan trọng nguồn liên kết tích phân, các tác giả nhận thấy rằng tính thấm của mối nối tăng cường có thể bị chặn bởi một số chất ức chế kinase, bao gồm chất ức chế myosin kinase chuỗi nhẹ (MLCK). Sự phosphoryl hóa myosin do MLCK gây ra dẫn đến sự co lại của xương tế bào, mở ra các mối nối chặt chẽ và tăng mức độ thấm nội bào (Hình 1b). Nhuộm miễn dịch đối với protein tiếp giáp ZO- 1 cho thấy nó đã biến mất khỏi ngoại vi tế bào, cho thấy có sự sắp xếp lại các điểm nối. Mặc dù các tác giả chưa cung cấp bằng chứng trực tiếp dẫn đến việc kích hoạt tín hiệu đối với MLCK khung xương tế bào, trước đó nghiên cứu đã chỉ ra rằng các chất ức chế phosphatase tế bào thấm ràng buộc để myosin-light-chuỗi phosphatase làm cho nút giao mở và tăng cường insulin 11 (Hình 1c).

Các nghiên cứu về sự phơi nhiễm mãn tính của các hạt nano silica đã chỉ ra rằng các hạt nano này tương đối an toan. Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận của Whitehead và các đồng tác giả sẽ cần được tối ưu hóa để việc hấp thụ thuốc uống hiệu quả và sử dụng đồng thời các hạt nano và thuốc peptide. Để có hiệu quả, một chất tăng cường tính thấm cần được phát triển cùng với thuốc peptide ở dạng đầy đủ tập trung tại địa điểm của sự hấp thụ (Hình 1d). Gần đây đã đạt được với một chất tăng cường hấp thụ truyền thống (salcaprozate natri), trong đó cải thiện sự hấp thu xuyên tế bào (transcellular) của acid béo ổn định glucagon-like peptide-1 semaglutide trong dạ dày khi được hình thành trong một viên thuốc cho phép tiếp xúc đồng thời của chất tăng cường và cả peptide (Hình 1e). Một công thức như vậy đối với thuốc semaglutide đường uống đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc nghiên cứu kiểm soát qua kiểm định lâm sàng và vừa được sự chấp thuận của Food and Drug Administration Hoa Kỳ (FDA) để điều trị tiểu đường loại 2. Với việc hấp thụ qua ruột non trong 3h, các hạt nano khởi đầu chậm (trong đó đạt tối đa sau 2h) là một thiếu sót. Tuy nhiên, các tác giả dự đoán rằng vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách kết hợp các hạt nano vào một miếng dán bằng vật liệu polymer hoặc thiết kế dạng thuốc tương tự. Nếu vậy, các hạt nano điện tích âm có thể có triển vọng cao và đóng vai trò như một hệ thống phân phối thuốc uống cho các thuốc peptide.

Bài viết thuộc thể loại: Nghiên cứu.

Tag: nghiên cứu, insulin, thuốc peptide, hạt nano silica.

Nguồn: nature.com

DOI https://doi.org/10.1038/s41551-019-0465-5

Hình đại diện từ: https://www.drugdiscoverytrends.com/nanotechnology-can-improve-safety-effectiveness-in-drug-delivery/