Доставянето на лекарства е свързано с подобряване на ефикасността и безопасността на терапевтичните средства чрез доставяне на правилната доза от правилното лекарство на точното място в правилната скорост и време. Подходи за доставка на лекарства съществуват от много стотици години; Египетските лекари създадоха перорални таблетки и мехлеми и лекарите започнаха да използват интравенозно приложение, след като кръвоносната система беше описана за първи път през 1657 г. Технологиите за контролирано освобождаване датират от средата на -1900 век. [1]
Ползите от използването на система за доставяне на лекарства включват: [1, 2]
• доставка за дълги периоди
• по-голямо удобство за пациента
• доставка на иначе трудни за формулиране лекарства, като големи биомолекули, слабо разтворими във вода лекарства или лекарства с тесен терапевтичен прозорец
• доставяне на лекарства през физиологичните бариери, например кожата, кръвно-мозъчната бариера и кръвно-ретиналната бариера
• локализирано доставяне, което намалява системната токсичност и позволява по-ниски дози лекарства.
Предизвикателствата, пред които е изправено разработването на лекарства, включват: [1-3]
• включване и контролиране на сложни графици на дозиране или персонализирано дозиране в система за доставяне
• работа с променливи лекарствени реакции, предизвикани от периодични биологични флуктуации
• прилагане на схеми с множество лекарства
• поддържане на лекарствата стабилни, докато се държат в системата за доставяне.
Системите за доставяне на лекарства варират от гелове и пластири, през микросфери и наночастици, до сложни устройства като външни или имплантирани помпи и микроелектромеханични системи (MEMS).
Въведение в микроелектромеханичните системи
MEMS са малки интегрирани устройства, които съчетават електрически и механични компоненти и са станали възможни благодарение на напредъка в микрофлуидиката и миниатюризацията на електрониката. Те варират от прости системи без движещи се части до изключително сложни системи. MEMS могат да бъдат асептично произведени с биосъвместими материали и могат да бъдат херметически затворени. MEMS лекарстводоставкаустройствата обикновено се състоят от три компонента: камера за лекарства, механизъм за освобождаване на лекарства и опаковка и могат да включват сензори, канали, помпи, клапани, игли, мембрани и единични или множество резервоари за лекарства. [1-5]
Устройствата MEMS могат да бъдат имплантируеми или носими и имат приложения при хронични и дългосрочни заболявания. Те могат да доставят лекарства до определени места, а някои могат да доставят повече от едно лекарство. Тези с интегрирани сензори могат да приспособят скоростта на доставка според нуждите на пациента въз основа на откриване на жизнени показатели или биомаркери. [1, 5, 6]
MEMS са малки и леки и могат лесно да бъдат интегрирани с електрически и електронни вериги. MEMS устройствата могат да бъдат със захранване или без захранване. Захранваните MEMS имат ниска консумация на енергия и могат да се захранват самостоятелно. MEMS устройствата обаче имат редица недостатъци. Те могат да бъдат крехки и да се повредят в резултат на замърсяване, умора, триене или износване. [5]
Доставка на лекарства с MEMS без захранване
Устройствата MEMS без захранване могат да бъдат по-малки от устройствата със захранване, тъй като не се нуждаят от захранване. Тяхната скорост на доставяне може да бъде модифицирана чрез използването на различни материали или лекарствени форми и от свойствата на околната среда на мястото на доставяне. Те обаче могат да имат ниски нива на освобождаване и да реагират бавно на външни стимули. Скоростта на доставяне обикновено не може да бъде променена или спряна след прилагане. Подходите без захранване включват устройства за пасивна дифузия, осмотично налягане, хидрогелове и микроигли. [1]
Захранвана MEMS доставка на лекарства
Захранваните MEMS устройства са по-сложни и често са по-големи от незахранваните устройства, но имат по-високи скорости на освобождаване, по-бързи реакции и могат да се управляват външно. Микропомпите могат да бъдат електромагнитни, пиезоелектрични, електростатични, термопневматични, биметални, електрохимични или да използват сплав с термична памет/памет на формата, наред с други подходи. [1]
Задвижваните устройства за доставяне на лекарства позволяват на лекарите да приспособят доставянето на лекарства точно чрез наблюдение в реално време и физически сензори. Като пример, външен панкреас, комбиниращ инсулинова помпа с непрекъснат мониторинг на глюкозата, може да бъде програмиран и наблюдаван външно чрез смартфон или таблет. [1]
MEMS приложения: Доставка на лекарства в мозъка
Разработването на ефективни лечения за нарушения на централната нервна система, включително невродегенеративни заболявания, инсулт и рак на мозъка, разчита на доставяне на лекарства в мозъка. Мозъкът обаче е защитен много ефективно от кръвно-мозъчната бариера, кръвно-мозъчната бариера и арахноидната бариера и преминаването им е предизвикателство. Системите MEMS, които са достатъчно малки, за да бъдат имплантирани, могат да се управляват външно с голяма прецизност и могат да доставят едно или повече лекарства, предлагат потенциално решение. [7, 8]
Потенциалните подходи за MEMS доставяне на лекарства до мозъка включват безжично контролирана електролитна сонда, която може да достави лекарство до регион дълбоко в мозъка, интратуморно доставяне на химиотерапевтично лекарство в глиобластом или вътречерепно доставяне на лекарство до мозъчни тумори с помощта на меко биоразградимо електронно устройство където доставянето на лекарството се задейства безжично и след това MEMS биоразгражда след определен период от време. [9-11]
MEMS приложения: Доставка на лекарства през кожата
Доставянето на лекарства през кожата е неинвазивен път и е удобен за пациенти и лица, които се грижат за тях. Роговият слой е първата защитна линия на тялото, задържа вода и предпазва тялото от патогени. Това прави трансдермалнодоставкапредизвикателна. Трансдермалните пластири, които включват химически проникващи материали, могат да бъдат свързани с кожни алергии, възпаление и раздразнение и те влияят на придържането към лекарства. [12]
Решетки, съставени от стотици микроигли, могат да проникнат през роговия слой и безболезнено да доставят лекарства трансдермално и интрадермално, включително малки молекули, протеини, пептиди, хормони, генетичен материал и ваксини. Подходите включват: [1, 3, 13]
• Твърди микроигли, направени от силиций, метал, стъкло, керамика или полимери, могат да се използват за пробиване на роговия слой, за да се подобри трансдермалната абсорбция чрез пластир.
Покритите с лекарство твърди микроигли позволяват на лекарството да се разтвори в кожата.
• Микроиглите на базата на въглехидрати или полимер съдържат лекарството и се разграждат, след като бъдат поставени, позволявайки на лекарството да проникне в кожата.
• Кухи микроигли, направени от силиций, метал или стъкло, действат като проводник, доставящ лекарството от резервоар.
• Хидрогелните микроигли пробиват кожата и набъбват, освобождавайки лекарството.
MEMS приложения: Доставяне на лекарства в окото
Подобно на мозъка, окото е защитено с биологични бариери и раждането е предизвикателство. Устройство ex vivo, работещо с помощта на външно приложено магнитно поле, може потенциално да достави лекарства до склерата, хориоидеята и ретината. [14] Микроиглите също имат потенциал да доставят лекарства в окото. Изследваните подходи включват лепенка под формата на контактна леща с разтворими игли, носещи лекарството, антибиотични криоигли за бактериална инфекция и микроигли, заредени с наночастици, за прилагане на лекарства в задната част на окото, улеснено чрез йонофореза. [13]
Референции
1. Кобо, А., Р. Шейбани и Е. Менг, MEMS: Активирани системи за доставяне на лекарства. Adv Healthc Mater, 2015. 4 (7): p. 969-82.
2. Mendoza, LAV, et al., Последни постижения в микро-електро-механичните устройства за приложения за контролирано освобождаване на лекарства. Front Bioeng Biotechnol, 2020. 8: стр. 827.
3. Lee, HJ, et al., MEMS устройства за доставяне на лекарства. Adv Drug Deliv Rev, 2018. 128: p. 132-147.
4. Pandey, Y. и SP Singh, Последни постижения в Bio-MEMS и бъдещи възможности: Общ преглед. Вестник на Института на инженерите (Индия): Серия B, 2023 г. 104: стр. 1377-1388.
5. Chircov, C. и AM Grumezescu, Микроелектромеханични системи (MEMS) за биомедицински приложения. Micromachines (Базел), 2022 г. 13 (2).
6. Мишра, А., Развиващи се пазарни тенденции за устройства за доставяне на лекарства. Лидер в доставката на лекарства, 5 октомври 2023 г. Достъпен от: https://www.drugdeliveryleader.com/doc/emerging-market-trends-for-drug-delivery-devices-0001.
7. Tian, M., Z. Ma и GZ Yang, Микро/наносистеми за контролируемо доставяне на лекарства в мозъка. Иновация (Camb), 2024. 5 (1): p. 100548.
8. Villarruel Mendoza, LA, et al., Последни постижения в микро-електро-механичните устройства за приложения за контролирано освобождаване на лекарства. Front Bioeng Biotechnol, 2020. 8: стр. 827.
9. Yoon, Y., et al., Система за невронна сонда за поведенческа неврофармакология чрез двупосочна безжична доставка на лекарства и електрофизиология при социално взаимодействащи мишки. Nat Commun, 2022. 13 (1): стр. 5521.
10. Saxena, V., DNAtrix подписва споразумение за използване на MEMS платформата на Alcyone за директно доставяне на лекарства в глиобластом. Fierce Pharma, 26 май 2015 г. Достъпно от: https://www.fiercepharma.com/drug-delivery/dnatrix-signs-agreement-to-utilize-alcyone-s-mems-platform-for-direct-drug-delivery.
11. Cicha, I., et al., Биосензорни интегрирани системи за доставяне на лекарства като нови материали за биомедицински приложения. Биомолекули, 2022. 12 (9).
12. Murphrey, MB, JH Miao и PM Zito, Хистология, Stratum Corneum, в StatPearls. 2024: Островът на съкровищата (Флорида).
13. Umeyor, CE, et al., Биомиметични микроигли: изследване на последните постижения на микрофабрикирана система за прецизно доставяне на лекарства, пептиди и протеини. Future Journal of Pharmaceutical Sciences, 2023 г. 9: стр. 103.
14. Pirmoradi, FN, et al., Контролирано доставяне на антиангиогенно лекарство до човешка очна тъкан с помощта на Mems устройство. 2013 IEEE 26th Int Conf Micro Electro Mech Syst MEMS 2013 (2013), 2013. 2013.