Inspirés par la manière dont les calmars se propulsent dans l’eau et projettent des nuages d’encre, des chercheurs du MIT et de Novo Nordisk ont mis au point une capsule ingérable capable de libérer une explosion de médicaments directement dans la paroi de l’estomac ou d’autres organes du tube digestif.
Cette capsule pourrait offrir une alternative à l’administration de médicaments qui nécessitent habituellement une injection, comme l’insuline et d’autres grosses protéines, y compris les anticorps. Cette méthode sans aiguille pourrait également être utilisée pour administrer de l’ARN, soit comme vaccin, soit comme traitement pour le diabète, l’obésité et d’autres troubles métaboliques.
« L’un des défis de longue date que nous explorons est le développement de systèmes permettant l’administration orale de macromolécules qui nécessitent généralement une injection pour être administrées. Ce travail représente l’une des prochaines avancées majeures dans cette progression », déclare Giovanni Traverso, directeur du Laboratoire d’ingénierie translationnelle et professeur agrégé de génie mécanique au MIT, gastro-entérologue au Brigham and Women’s Hospital, membre associé du Broad Institute, et l’auteur principal de l’étude.
Traverso et ses étudiants du MIT ont développé cette nouvelle capsule en collaboration avec des chercheurs du Brigham and Women’s Hospital et de Novo Nordisk. Graham Arrick SM ’20 et les scientifiques de Novo Nordisk, Drago Sticker et Aghiad Ghazal, sont les principaux auteurs de l’étude, publiée aujourd’hui dans Nature.
Inspiré des céphalopodes
Les médicaments composés de grosses protéines ou d’ARN ne peuvent généralement pas être pris par voie orale car ils se dégradent facilement dans le tube digestif. Depuis plusieurs années, le laboratoire de Traverso travaille sur des moyens d’administrer ces médicaments par voie orale en les encapsulant dans de petits dispositifs qui les protègent de la dégradation, puis en les injectant directement dans la muqueuse du tube digestif.
La plupart de ces capsules utilisent une petite aiguille ou un ensemble de micro-aiguilles pour administrer les médicaments une fois que le dispositif atteint le tube digestif. Dans cette nouvelle étude, Traverso et ses collègues ont exploré des moyens d’administrer ces molécules sans aiguille, réduisant ainsi le risque de dommages aux tissus.
Pour y parvenir, ils se sont inspirés des céphalopodes. Les calmars et les poulpes se propulsent en remplissant d’eau la cavité de leur manteau, puis en l’expulsant rapidement par leur siphon. En modifiant la force d’expulsion de l’eau et en dirigeant le siphon, les animaux contrôlent leur vitesse et leur direction. Le siphon permet également aux céphalopodes de projeter des jets d’encre pour distraire les prédateurs.
Les chercheurs ont trouvé deux façons d’imiter cette action : en utilisant du dioxyde de carbone comprimé ou des ressorts étroitement enroulés pour générer la force nécessaire pour propulser les médicaments liquides hors de la capsule. Le gaz ou le ressort est maintenu comprimé par un déclencheur glucidique, conçu pour se dissoudre dans un environnement humide ou acide comme l’estomac. Lorsque la gâchette se dissout, le gaz ou le ressort se dilate, propulsant un jet de médicament hors de la capsule.
Dans une série d’expériences utilisant des tissus du tube digestif, les chercheurs ont calculé les pressions nécessaires pour expulser les médicaments avec suffisamment de force pour qu’ils pénètrent dans le tissu sous-muqueux et s’y accumulent, créant ainsi un dépôt qui libérerait ensuite les médicaments dans les tissus.
« Outre l’élimination des objets tranchants, un autre avantage potentiel des jets à haute vitesse est leur robustesse face aux problèmes de localisation. Contrairement à une petite aiguille, qui doit avoir un contact intime avec le tissu, nos expériences ont indiqué qu’un jet peut être capable de délivrer la majeure partie de la dose à distance ou sous un léger angle », explique Arrick.
Les chercheurs ont également conçu les capsules pour cibler différentes parties du tube digestif. Une version de la capsule, dotée d’un fond plat et d’un dôme haut, peut reposer sur une surface, telle que la muqueuse de l’estomac, et éjecter le médicament vers le bas dans les tissus. Cette capsule, inspirée par des recherches antérieures du laboratoire de Traverso sur les capsules auto-orientées, a à peu près la taille d’une myrtille et peut contenir 80 microlitres de médicament.
La deuxième version a une forme tubulaire qui lui permet de s’aligner dans un long organe tubulaire tel que l’œsophage ou l’intestin grêle. Dans ce cas, le médicament est éjecté vers la paroi latérale plutôt que vers le bas. Cette version peut délivrer 200 microlitres de médicament.
Fabriquées en métal et en plastique, les capsules traversent le tube digestif et sont excrétées après avoir libéré leur charge médicamenteuse.
Administration de médicaments sans aiguille
Lors de tests sur des animaux, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient utiliser ces capsules pour administrer de l’insuline, un agoniste des récepteurs GLP-1 similaire au médicament contre le diabète Ozempic, et un type d’ARN appelé ARN interférent court (ARNsi). Ce type d’ARN peut être utilisé pour faire taire les gènes, ce qui le rend potentiellement utile dans le traitement de nombreux troubles génétiques.
Ils ont également montré que la concentration des médicaments dans le sang des animaux atteignait des niveaux similaires à ceux observés lorsque les médicaments étaient injectés avec une seringue, sans causer de dommages tissulaires.
Les chercheurs envisagent que la capsule ingérable pourrait être utilisée à domicile par les patients qui ont besoin de prendre fréquemment de l’insuline ou d’autres médicaments injectés. En plus de faciliter l’administration des médicaments, notamment pour les patients qui n’aiment pas les aiguilles, cette approche élimine également le besoin de se débarrasser des aiguilles pointues. Les chercheurs ont également créé et testé une version du dispositif qui pourrait être fixée à un endoscope, permettant aux médecins de l’utiliser dans une salle d’endoscopie ou une salle d’opération pour administrer des médicaments à un patient.
« Cette technologie constitue un pas en avant significatif dans l’administration orale de médicaments macromoléculaires comme l’insuline et les agonistes du GLP-1. Bien que de nombreuses approches d’administration orale de médicaments aient été tentées dans le passé, elles ont tendance à être peu efficaces pour atteindre une biodisponibilité élevée. Ici, les chercheurs démontrent la capacité de fournir une biodisponibilité dans des modèles animaux avec une grande efficacité. Il s’agit d’une approche passionnante qui pourrait avoir un impact sur de nombreux produits biologiques actuellement administrés par injection ou perfusion intravasculaire », explique Omid Veiseh, professeur de bio-ingénierie à l’Université Rice, qui n’a pas participé à la recherche.
Les chercheurs prévoient désormais de développer davantage les capsules, dans l’espoir de les tester sur des humains.
La recherche a été financée par Novo Nordisk, le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, le département de génie mécanique du MIT, le Brigham and Women’s Hospital et l’Agence américaine des projets de recherche avancée pour la santé.
