1656 年，克里斯托弗·雷恩爵士 (Sir Christopher Wren) 記錄了最早使用皮下注射針頭為大型哺乳動物輸送藥物的情況，當時他給狗進行了酒精和鴉片的靜脈注射。從那時起，皮下注射針頭就成為治療劑給藥的主要手段，包括胰島素、疫苗和單克隆抗體等大分子。內窺鏡注射到胃腸道器官也被廣泛用于各種治療。然而，針頭給藥會增加銳器管理的負擔，這對患者和醫療專業人員來說都是一個挑戰。此外，最近的一項研究發現，注射者和開處方的醫生更喜歡口服大分子藥物，包括頻率更高和比典型的 (000) 膠囊更大的藥物。藥物輸送領域的最新發展表明，通過可自行管理的機器人可攝取設備輸送多種大分子藥物具有潛力，從而優化了傳統上依賴于腸外途徑的治療方法。這些自主系統包括能夠自我定位、自我展開、自我膨脹和皮下針頭回縮的系統，這些系統在臨床前或早期臨床研究中已證明是成功的。然而，它們主要集中在應用實心針頭形式進行給藥。相比之下，微噴射注射代表了一種無針給藥方式，其中使用準直加壓液體流同時穿透組織并輸送藥物。它之前已被應用于皮膚大分子輸送，并已應用于頰粘膜以給兔子接種疫苗。
近年來，麻省理工學院Giovanni Traverso課題組在口服遞送藥物的進展。
Science 363, 611–615 (2019)
Nat Med 25, 1512–1518 (2019)
Nat Biotechnol 40, 103–109 (2022)
受魷魚和烏賊等頭足類動物的噴射推進機制的啟發，麻省理工學院Giovanni Traverso、諾和諾德公司的?Stephen T Buckley等研究人員開發了一系列微噴射輸送(MiDe)系統，每種系統都具有獨特的軸向或徑向噴射方向，可精確定位胃腸道內的各種情況。
胃腸道 MiDe系統有兩個關鍵的高級設計特點。首先，有定位方法，即噴射與粘膜的定位。軸向系統針對海綿狀或球狀器官，如胃或結腸，其中主動定位噴射的軸線至關重要，而徑向系統更適合較窄的管狀器官，如食道或小腸，其中噴射的定位由其在運輸過程中的自然接近性被動確保。其次，系統的自主性水平。系留系統非常適合內窺鏡應用，其中治療輸送事件由胃腸病學家在精確的位置和時刻監督和觸發，而自主或“獨立”系統與口服自我給藥兼容。
即：本文采用了兩種噴射方法：軸向噴射用于輸送到較大的球狀器官（如胃和結腸），徑向噴射用于較小的管狀器官（包括小腸和食道）。這些系統被集成到可攝入的設備中，這些設備可以系繩（在內窺鏡上）或不系繩（自主），從而實現多種藥物給藥方法。
圖|軸向和徑向 MiDe 噴射概念，用于無針藥物輸送至胃腸道器官
圖|噴射動力學和組織學特征揭示了藥丸穿過粘膜屏障的位置
借鑒頭足類動物運動的原理，認識到在胃腸道內各種情況下軸向和徑向噴射輸送的醫學必要性。研究人員詳細介紹了針對不同胃腸道段定制的噴射注射裝置的原型設計、特性和應用，包括它們在胃和小腸中的部署。該研究的目標是建立能夠支持徑向和軸向輸送的系留和自主 MiDe 系統。研究人員通過檢查體外噴射動力學啟動了開發過程，然后在潛在目標組織中進行離體評估，以確定最佳粘膜內輸送的條件。隨后，在大型哺乳動物（狗和豬）的測試中，微噴射輸送系統可以成功輸送大分子，如胰島素、食欲調節激素GLP-1的類似物和小干擾 RNA (siRNA)。該裝置可實現高達 90% 的生物利用度（物質到達目的地的比例），這與皮下注射的生物利用度相當。例如，在 9.4 bar的壓力下，將胰島素輸送到豬的小腸可達到 69% 的生物利用度，而在 24.5 bar的壓力下，將胰島素輸送到狗的胃可達到 90% 的生物利用度。這些發現表明噴射壓力與藥物吸收之間存在直接相關性，凸顯了該系統的效率和可控性。
圖|液體噴射輸送至多個胃腸道位置后的體外組織特征
圖|使用概念驗證噴射裝置進行體內測試
微噴射輸送系統的開發標志著無需針頭即可輸送藥物的方法取得了突破。這項技術可以大大提高治療依從性，特別是對于需要經常服藥且目前依賴靜脈輸液或肌肉注射和皮下注射的慢性病。它還可能擴大臨床環境之外大分子療法的可及性，從而實現對更廣泛疾病的家庭治療。盡管前景光明，但目前的研究僅限于臨床前動物模型。需要進一步研究以確定對人類的安全性和有效性，特別是關于長期使用和胃腸道組織的潛在副作用。此外，該技術的適用性可能因藥物的特性和目標組織而異。未來的工作將側重于制造符合監管指南的具有最佳安全特性的設備，優化噴射輸送參數并擴大可輸送藥物的范圍。研究人員還計劃探索可生物降解的材料，以提高設備的環境可持續性。Arrick, G., Sticker, D., Ghazal, A. et al. Cephalopod-inspired jetting devices for gastrointestinal drug delivery. Nature (2024).https://doi.org/10.1038/s41586-024-08202-5
