Actuation-dependent plume geometry in nasal spray delivery of lipid nanoparticles influences nasal deposition site and particle integrity
Deze studie toont aan dat het optimaliseren van zowel de mechanische actueringsparameters van neussprays als de formulering van lipide nanodeeltjes-suspensies essentieel is om simultaan een superieure gerichte nasale depositie voor neus-naar-hersenen mRNA-toediening te bereiken en de integriteit van de deeltjes te behouden.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
Medicijnen in de hersenen krijgen is een van de moeilijkste uitdagingen in de moderne geneeskunde. De hersenen worden beschermd door een vormidabele muur die bekend staat als de bloed-hersenbarrière, een beveiligingssysteem dat bijna alle grote moleculen en de meeste medicijnen tegenhoudt om binnen te komen. Deze verdediging houdt de hersenen veilig voor gifstoffen, maar voorkomt ook dat levensreddende behandelingen voor aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer of Parkinson hun doel bereiken. Wetenschappers kijken al lang naar de neus als een potentiële achterdeur. Omdat het neusholte directe zenuwbanen heeft die rechtstreeks naar de hersenen leiden, zou het inspuiten van een medicijn in de neus ervoor kunnen zorgen dat het de bloed-hersenbarrière volledig omzeilt. De neus is echter een complex, kronkelig kanaal. Als een spray te grof is of op de verkeerde plek terechtkomt, blijft de medicatie steken in de voorkant van de neus en wordt deze weggeveegd door de natuurlijke reinigingsmechanismen van het lichaam voordat het naar de hersenen kan reizen.
Om deze neus-naar-hersenen levering werkend te maken, richten onderzoekers zich op messenger RNA, of mRNA, dezelfde technologie die wordt gebruikt in vaccins, maar dan verpakt in piepkleine, beschermende bellen die lipide-nanodeeltjes worden genoemd. Deze bellen zijn fragiel. Ze moeten intact blijven en hun lading verzegeld houden totdat ze de hersenen bereiken. Het probleem is dat de handeling van het sprayen zelf — het met hoge snelheid door een kleine spuitmond persen van de vloeistof — deze bellen uit elkaar kan scheuren of de inhoud eruit kan laten lekken. Een nieuwe studie van onderzoekers aan de Chungbuk National University in Zuid-Korea onderzoekt hoe men deze concurrerende behoeften in evenwicht kan brengen. Ze wilden weten of ze het spraymechanisme konden afstemmen om de juiste plek in de neus te raken zonder de medicatie in het proces te vernietigen, en of het toevoegen van specifieke ingrediënten aan de vloeistof kon helpen om de fragiele deeltjes tijdens de reis te beschermen.
Het team gebruikte een mechanische neusspraypomp, van het type dat afhankelijk is van een veer om vloeistof naar buiten te duwen, en testte dit onder uiteenlopende omstandigheden. Ze varieerden hoe hard ze de veer indrukten, met krachten van 4,8, 8,0 en 11,2 newtons, en hoe snel ze het indrukten, variërend van 80 tot 180 millimeter per seconde. Ze filmden de spray in slow motion om de vorm van de nevel te zien, mat de grootte van de druppels, en spoot de vloeistof vervolgens in een transparant, driedimensionaal model van een menselijke neus om precies te zien waar de druppels landden. Ze controleerden ook de gezondheid van de mRNA-nanodeeltjes vóór en na het sprayen om te zien of het proces de nanodeeltjes had beschadigd.
De resultaten onthulden een delicaat compromis. Wanneer de onderzoekers de veer harder indrukken, produceert de spray kleinere, fijnere druppels die met meer kracht reizen. Deze krachtige, fijne druppels waren veel beter in staat om de bovenste regio's van de neusholte te bereiken, specifiek de bovenste neustuim (superior turbinate), wat het gebied is dat het dichtst bij de hersenen ligt. Echter, deze krachtige spray beschadigde de nanodeeltjes. Hoewel de deeltjes na het sprayen ongeveer dezelfde grootte hadden, daalde de hoeveelheid mRNA die erin gevangen zat aanzienlijk. In de meest krachtige tests daalde de efficiëntie waarmee de deeltjes hun lading vasthielden van meer dan 86 procent naar minder dan 55 procent. Dit betekent dat het simpelweg verhogen van het vermogen om de medicatie dieper in de neus te krijgen, eigenlijk een groot deel van de dosis vernietigde.
Omgekeerd, wanneer de onderzoekers de knop sneller maar met minder kracht indrukten, verspreidde de spray zich breder. Deze bredere nevel had de neiging om het midden van de neus te raken in plaats van de bovenkant, waardoor het doelgebied voor hersenlevering werd gemist. De studie toonde aan dat de snelheid van het indrukken en de kracht van de veer verschillende delen van de spray controleerden: de snelheid bepaalde hoe breed de nevel zich verspreidde, terwijl de kracht bepaalde hoe klein de druppels waren. Geen van beide instellingen alleen kon het probleem oplossen; het verhogen van de kracht hielp bij het richten maar schaadde de medicatie, terwijl het veranderen van de snelheid alleen de plek waar de spray landde verschoof zonder de schade te herstellen.
Om het schadeprobleem op te lossen, testten de onderzoekers het toevoegen van verschillende stabiliserende ingrediënten aan de vloeistof, vergelijkbaar met hoe een chef een ei aan een saus toevoegt om te voorkomen dat deze van elkaar scheidt. Ze probeerden drie verschillende stoffen: hyaluronzuur, een cellulose-derivaat en polyvinylalcohol. Alle drie hielpen ze om te voorkomen dat de nanodeeltjes samenklonterden tot grote, nutteloze massa's. Eén ingrediënt, polyvinylalcohol, viel op. Wanneer dit werd toegevoegd in een concentratie van 0,5 procent, hield het de nanodeeltjes veilig voor de stress van de spray, waardoor hun vermogen om mRNA vast te houden behouden bleef. Interessant genoeg veranderde het toevoegen van dit ingrediënt de vorm van de spraynevel niet, maar maakte het de druppels groter. Deze iets grotere druppels landden zwaarder in het midden van de neus, wat aantoonde dat de vloeistof zelf invloed kon hebben op waar de medicatie terechtkwam, onafhankelijk van het sprayapparaat.
De studie concludeert dat je het sprayapparaat en de medicatie niet apart van elkaar kunt ontwerpen. De manier waarop de pomp werkt en de ingrediënten in de vloeistof zijn verbonden in een relatie waarbij de één de ander beïnvloedt. Om mRNA succesvol naar de hersenen te leveren, moeten ingenieurs het spraymechanisme zo afstemmen dat het op de bovenkant van de neus richt, terwijl ze tegelijkertijd de vloeistof moeten ontwerpen zodat deze het gewelddadige proces van het sprayen overleeft. De onderzoekers ontdekten dat hoewel het apparaat kan worden aangepast om het juiste doel te raken, het de formulering is — de specifieke mix van ingrediënten — die uiteindelijk de fragiele lading beschermt. Deze geïntegreerde aanpak, waarbij de machine en de medicatie samen worden ontwikkeld, biedt een realistisch pad voor het omzetten van neussprays in een levensvatbare manier om hersenziekten te behandelen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.