MIT、Draper、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院の研究者らは、Bluetooth無線技術を使って制御できる経口摂取型カプセルを設計しました。薬剤の投与、環境状態の検知、またはその両方を行うようカスタマイズできるこのカプセルは、少なくとも1か月間胃内にとどまり、ユーザーのスマートフォンに情報を送信し、その指示に応答することができます。
3Dプリンティング技術で製造されたこのカプセルは、さまざまな疾患の治療のために薬剤を投与する用途に活用できる可能性があり、特に長期間にわたって薬剤を服用しなければならない場合に有用です。感染症、アレルギー反応、その他の事象を検知し、それに応じて薬剤を放出するよう設計することもできます。
「本システムは、信号によって薬剤の投与を導いたり、薬剤の投与量を調整したりできる、閉ループのモニタリングと治療を提供できる可能性があります」と、MIT機械工学科の客員研究員であり、2019年に同学科の教員に加わる予定のジョバンニ・トラベルソは述べています。
これらのデバイスは、ウェアラブル医療機器や埋め込み型医療機器と通信するためにも使用でき、それらが収集した情報を患者または医師のスマートフォンに送信することも可能です。
「3Dプリンティングのこのデモンストレーションや、モバイルヘルス・アプリケーションを可能にする新しいデバイスを通じて、経口摂取型技術がどのように人々を支援できるかについて、非常に期待しています」と、デービッド・H・コッチ統合がん研究所のデービッド・H・コッチ教授であり、MITのコッチ統合がん研究所の一員でもあるロバート・ランガーは述べています。
ランガーとトラベルソは、12月13日号の『Advanced Materials Technologies』に掲載された本研究の責任著者です。Advanced Materials Technologies。MITの元ポスドク研究員で、現在はユタ大学の助教授を務めるヨン・リン・コン（Yong Lin Kong）が、本論文の筆頭著者です。
無線通信
ここ数年、ランガー、トラベルソ、そして彼らの同僚は、さまざまな経口摂取型センサーや薬剤送達カプセルの研究に取り組んできました。彼らは、現在注射で投与しなければならない薬剤を長期間にわたって投与するうえで、これらが有用だと考えています。また、HIVやマラリアの患者が厳格な投薬計画を維持するうえでも役立つ可能性があります。HIVやマラリア。
今回の研究で、研究者らは以前に開発したさまざまな機能を組み合わせることを目指しました。2016年、研究者らは6本のアームを持つ星形カプセルを設計しました。このアームは、滑らかなカプセルに収められる前に折りたたまれており、嚥下後にカプセルが溶解するとアームが展開し、デバイスが胃内にとどまることが可能になります。同様に、新しいデバイスも嚥下後にY字形に展開します。これにより、デバイスは胃内に約1か月間とどまり、その後より小さな断片に分解されて消化管を通過します。
これらのアームの1つには、さまざまな薬剤を充填できる4つの小さな区画が含まれています。これらの薬剤はポリマー内に封入することができ、数日間にわたって徐々に放出されるようにできます。研究者らは、Bluetooth無線通信を通じて遠隔からこれらの区画を開くことができるよう設計できるとも考えています。
このデバイスには、胃内環境を監視し、無線信号を介して情報を中継するセンサーを搭載することもできます。以前の研究では、研究者らは心拍数や呼吸数などのバイタルサインを検出できるセンサーを設計しました。今回の論文では、カプセルを使って温度を監視し、その情報を腕の届く範囲内にあるスマートフォンに直接中継できることを実証しました。
「接続範囲が限られていることは、望ましいセキュリティ強化策です」とコンは述べています。「ユーザーの物理的な空間内で無線信号強度が自己分離されることで、デバイスを不要な接続から守り、追加のセキュリティとプライバシー保護のための物理的な隔離を提供できます」
これらの複雑な要素をすべて製造するため、研究者らはカプセルを3Dプリントすることにしました。この手法により、カプセルに搭載されるさまざまな構成要素をすべて容易に組み込むことができ、また、硬質ポリマーと柔軟性のあるポリマーを交互に重ねた層からカプセルを形成できました。これにより、カプセルは胃の酸性環境に耐えやすくなります。
「マルチマテリアル3Dプリンティングは、非常に汎用性の高い製造技術であり、従来の製造技術では作製できない、独自の多成分構造や機能性デバイスを作り出すことができます」とコンは述べています。「特定の医療用途に応じて胃内滞留期間を調整できる、カスタマイズされた経口摂取型電子機器を作製できる可能性があり、それによって広く利用可能な、個別化された診断と治療につながる可能性があります」
早期対応
研究者らは、この種のセンサーを、疾患の初期兆候を診断し、その後適切な薬剤で対応するために使用できると考えています。例えば、化学療法や免疫抑制薬を投与されている患者など、感染リスクの高い特定の人々を監視するために使用できる可能性があります。感染が検出された場合、カプセルは抗生物質の放出を開始できます。あるいは、アレルギー反応を検出した場合に抗ヒスタミン薬を放出するよう、デバイスを設計することもできます。
「胃内に滞留する電子機器が、患者を遠隔から支援するためのモバイルヘルスのプラットフォームとして機能する可能性に、大いに期待しています」とトラベルソは述べています。
現在のデバイスのバージョンは、小型の酸化銀電池で駆動しています。しかし、研究者らは、電池を外部アンテナや胃酸などの代替電源に置き換える可能性を検討しています。
研究者らは、カプセルに組み込むことができる他の種類のセンサーの開発にも取り組んでいます。今回の論文では、温度センサーをブタで試験しました。また、約2年以内に、ヒトの患者に対して経口摂取型センサーの試験を開始できる可能性があると見込んでいます。研究チームはすでに、ヒトへの利用に向けてこの技術の開発に取り組む企業を立ち上げています。
本研究は、Draperを通じて、ビル&メリンダ・ゲイツ財団と米国国立衛生研究所から資金提供を受けました。
