Actuation-dependent plume geometry in nasal spray delivery of lipid nanoparticles influences nasal deposition site and particle integrity
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि नोज़-टू-ब्रेन mRNA वितरण के लिए लक्षित श्रेष्ठ नासिका निक्षेपण प्राप्त करने और कण अखंडता बनाए रखने के लिए नेज़ल स्प्रे उपकरणों के यांत्रिक सक्रियण मापदंडों और लिपिड नैनोपार्टिकल सस्पेंशन के फॉर्मूलेशन दोनों को अनुकूलित करना आवश्यक है।
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दवा को मस्तिष्क तक पहुँचाना आधुनिक चिकित्सा की सबसे कठिन चुनौतियों में से एक है। मस्तिष्क एक दुर्जेय दीवार द्वारा सुरक्षित है जिसे रक्त-मस्तिष्क अवरोध (ब्लड-ब्रेन बैरियर) के रूप में जाना जाता है, जो एक ऐसी सुरक्षा प्रणाली है जो लगभग सभी बड़े अणुओं और अधिकांश दवाओं को अंदर जाने से रोकती है। यह रक्षा तंत्र मस्तिष्क को विषाक्त पदार्थों से सुरक्षित रखता है, लेकिन अल्जाइमर या पार्किंसंस जैसे रोगों के लिए जीवन रक्षक उपचारों को उनके लक्ष्य तक पहुँचने से भी रोकता है। वैज्ञानिक लंबे समय से नाक को एक संभावित 'बैकडोर' (पिछले दरवाजे) के रूप में देखते आए हैं। क्योंकि नासिका गुहा (नेज़ल कैविटी) में सीधे मस्तिष्क तक जाने वाले तंत्रिका मार्ग होते हैं, इसलिए नाक के अंदर दवा स्प्रे करने से वह रक्त-मस्तिष्क अवरोध को पूरी तरह से बायपास कर सकती है। हालाँकि, नाक एक जटिल, घुमावदार सुरंग है। यदि स्प्रे बहुत मोटा है या गलत जगह पर लग जाता है, तो दवा नाक के अगले हिस्से में ही फंस जाती है और मस्तिष्क तक यात्रा करने से पहले शरीर की प्राकृतिक सफाई प्रक्रियाओं द्वारा बहा दी जाती है।
इस नोज़-टू-ब्रेन (नाक से मस्तिष्क तक) डिलीवरी को सफल बनाने के लिए, शोधकर्ता मैसेंजर आरएनए (mRNA) की ओर मुड़ रहे हैं, जो वही तकनीक है जिसका उपयोग टीकों में किया जाता है, लेकिन इसे लिपिड नैनोपार्टिकल्स नामक छोटे, सुरक्षात्मक बुलबुलों के भीतर पैक किया जाता है। ये बुलबुले नाजुक होते हैं। उन्हें मस्तिष्क तक पहुँचने तक बरकरार रहना चाहिए और अपने भार (कार्गो) को सुरक्षित रखना चाहिए। समस्या यह है कि उन्हें स्प्रे करने की प्रक्रिया—एक बहुत ही छोटे नोजल के माध्यम से तरल को उच्च गति से धकेलना—इन बुलबुलों को फाड़ सकती है या उनकी सामग्री को लीक कर सकती है। दक्षिण कोरिया के चुंगबुक नेशनल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं का एक नया अध्ययन इस बात की जांच करता है कि दवा को नष्ट किए बिना सही जगह पर हिट करने के लिए स्प्रे तंत्र को कैसे ट्यून (समायोजित) किया जाए, और क्या तरल में विशिष्ट सामग्रियां जोड़ने से यात्रा के दौरान नाजुक कणों को बचाने में मदद मिल सकती है।
टीम ने एक मैकेनिकल नेज़ल स्प्रे पंप का उपयोग किया, जो उस प्रकार का है जो तरल को बाहर धकेलने के लिए स्प्रिंग पर निर्भर करता है, और उन्होंने इसे विभिन्न स्थितियों के तहत परखा। उन्होंने स्प्रिंग को कितनी जोर से दबाया, इसके लिए 4.8, 8.0, और 11.2 न्यूटन के बल का उपयोग किया, और इसे कितनी तेजी से दबाया, इसकी सीमा 80 से 180 मिलीमीटर प्रति सेकंड तक रखी। उन्होंने धुंध (मिस्ट) के आकार को देखने के लिए स्प्रे को स्लो मोशन में फिल्माया, बूंदों के आकार को मापा, और फिर यह देखने के लिए कि बूंदें वास्तव में कहाँ गिरीं, उन्होंने मानव नाक के एक पारदर्शी, तीन-आयामी मॉडल में तरल का स्प्रे किया। उन्होंने प्रक्रिया से पहले और बाद में mRNA नैनोपार्टिकल्स के स्वास्थ्य की भी जांच की ताकि यह देखा जा सके कि क्या इस प्रक्रिया ने उन्हें नुकसान पहुँचाया है।
परिणामों ने एक नाजुक संतुलन को उजागर किया। जब शोधकर्ताओं ने स्प्रिंग को अधिक जोर से दबाया, तो स्प्रे ने छोटी, महीन बूंदें पैदा कीं जो अधिक बल के साथ आगे बढ़ीं। ये शक्तिशाली, महीन बूंदें नासिका गुहा के ऊपरी क्षेत्रों, विशेष रूप से सुपीरियर टर्बिनेट (superior turbinate) तक पहुँचने में बहुत बेहतर थीं, जो मस्तिष्क के सबसे करीब का क्षेत्र है। हालाँकि, इसी जोरदार स्प्रे ने नैनोपार्टिकल्स को नुकसान पहुँचाया। भले ही कण स्प्रे होने के बाद भी आकार में लगभग समान दिख रहे थे, लेकिन उनके भीतर फंसे mRNA की मात्रा काफी कम हो गई। सबसे जोरदार परीक्षणों में, कार्गो को थामे रखने की कणों की दक्षता 86 प्रतिशत से अधिक से गिरकर 55 प्रतिशत से नीचे आ गई। इसका मतलब है कि मस्तिष्क के गहरे हिस्सों तक पहुँचने के लिए केवल शक्ति बढ़ा देने से वास्तव में खुराक का एक बड़ा हिस्सा नष्ट हो गया।
इसके विपरीत, जब शोधकर्ताओं ने बटन को कम बल के साथ लेकिन अधिक तेजी से दबाया, तो स्प्रे अधिक फैल गया। इस व्यापक धुंध ने मस्तिष्क की डिलीवरी के लक्ष्य क्षेत्र के बजाय नाक के मध्य भाग को हिट किया। अध्ययन ने दिखाया कि दबाने की गति और बल ने स्प्रे के अलग-अलग हिस्सों को नियंत्रित किया: गति ने यह निर्धारित किया कि धुंध कितनी चौड़ी फैली, जबकि बल ने यह निर्धारित किया कि बूंदें कितनी छोटी थीं। अकेले कोई भी सेटिंग समस्या को हल नहीं कर सकी; बल बढ़ाने से लक्ष्य तक पहुँचने में मदद मिली लेकिन दवा को नुकसान पहुँचा, जबकि गति बदलने से केवल यह बदला कि स्प्रे कहाँ गिरा, बिना नुकसान को ठीक किए।
इस क्षति की समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने तरल में विभिन्न स्थिर करने वाली सामग्रियां जोड़ने का परीक्षण किया, ठीक वैसे ही जैसे एक शेफ सॉस को अलग होने से बचाने के लिए उसमें अंडा मिला सकता है। उन्होंने तीन अलग-अलग पदार्थों का परीक्षण किया: हयालूरोनिक एसिड, एक सेलुलोज डेरिवेटिव, और पॉलीविनाइल अल्कोहल। इन तीनों ने नैनोपार्टिकल्स को बड़े, बेकार द्रव्यमानों में आपस में जुड़ने से रोकने में मदद की। एक सामग्री, पॉलीविनाइल अल्कोहल, सबसे अलग रही। 0.5 प्रतिशत की सांद्रता पर इसे जोड़ने से, इसने नैनोपार्टिकल्स को स्प्रे के तनाव से सुरक्षित रखा, जिससे उनकी mRNA को थामे रखने की क्षमता बनी रही। दिलचस्प बात यह है कि इस सामग्री को जोड़ने से स्प्रे की धुंध का आकार नहीं बदला, लेकिन इसने बूंदों को बड़ा बना दिया। ये थोड़ी बड़ी बूंदें नाक के बीच में अधिक भारी होकर गिरीं, जिससे पता चला कि तरल स्वयं भी यह प्रभावित कर सकता है कि दवा कहाँ जाएगी, जो स्प्रे डिवाइस से स्वतंत्र है।
अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि आप स्प्रे डिवाइस और दवा को अलग-अलग डिजाइन नहीं कर सकते। जिस तरह से पंप काम करता है और तरल में मौजूद सामग्रियां, एक ऐसे संबंध में बंधे हैं जहाँ एक दूसरे को प्रभावित करता है। मस्तिष्क तक mRNA सफलतापूर्वक पहुँचाने के लिए, इंजीनियरों को स्प्रे तंत्र को ऊपरी नाक की ओर लक्षित करने के लिए ट्यून करना होगा और साथ ही तरल को स्प्रे करने की हिंसक प्रक्रिया से जीवित रहने के लिए डिजाइन करना होगा। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि डिवाइस को सही लक्ष्य तक पहुँचने के लिए समायोजित किया जा सकता है, लेकिन अंततः वह फॉर्मूलेशन (सामग्रियों का विशिष्ट मिश्रण) है जो नाजुक कार्गो की रक्षा करता है। यह एकीकृत दृष्टिकोण, जहाँ मशीन और दवा को एक साथ विकसित किया जाता है, नाक के स्प्रे को मस्तिष्क की बीमारियों के इलाज का एक व्यवहार्य तरीका बनाने के लिए एक वास्तविक मार्ग प्रदान करता है।
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