Implantowalna „żywa apteka” produkuje wiele leków bezpośrednio w organizmie

Zespół naukowców współkierowany przez Northwestern University, wykonał istotny krok w kierunku opracowania implantowalnych „żywych aptek” – miniaturowych urządzeń zawierających zmodyfikowane komórki zdolne do ciągłej produkcji leków bezpośrednio w organizmie pacjenta.

W najnowszym badaniu naukowcy zaprojektowali komórki zdolne do jednoczesnej produkcji trzech różnych biologicznych substancji terapeutycznych: przeciwciała anty-HIV, peptydu podobnego do GLP-1 stosowanego w leczeniu cukrzycy typu 2 oraz leptyny – hormonu regulującego apetyt i metabolizm. Po implantacji podskórnej w modelu zwierzęcym urządzenie utrzymywało komórki przy życiu i zapewniało stabilne, jednoczesne dostarczanie wszystkich trzech terapii.

System nazwany HOBIT (hybrid oxygenation bioelectronics system for implanted therapy) integruje zmodyfikowane komórki z bioelektroniką generującą tlen. Urządzenie o rozmiarach zbliżonych do złożonej gumy do żucia chroni komórki przed układem odpornościowym gospodarza, a jednocześnie zapewnia im dostęp do tlenu i składników odżywczych, co umożliwia ich przeżycie i produkcję leków biologicznych przez wiele tygodni.

Dalszy rozwój tej technologii może umożliwić leczenie chorób przewlekłych za pomocą pojedynczej, długodziałającej terapii, eliminując konieczność regularnego przyjmowania leków, ich iniekcji lub pamiętania o schematach dawkowania.

Badanie zostanie opublikowane 27 marca w czasopiśmie Device, wydawanym przez Cell Press. Projekt realizowany jest wspólnie przez Northwestern University, Rice University oraz Carnegie Mellon University.

„Nasze wyniki podkreślają szeroki potencjał w pełni zintegrowanej platformy biohybrydowej w leczeniu chorób” – podkreśla Jonathan Rivnay z Northwestern University, współkierujący badaniem i odpowiedzialny za rozwój urządzenia. „Tradycyjne leki biologiczne często różnią się okresem półtrwania, co utrudnia utrzymanie stabilnych poziomów wielu terapii jednocześnie. Dzięki implantowanym ‘fabrykom komórkowym’, które stale produkują te substancje, oraz technologii dostarczania tlenu, możemy utrzymywać stabilne stężenia wielu leków równocześnie.”

Wyzwanie tlenowe w implantach komórkowych

Pomimo ogromnego potencjału implantowalnych terapii komórkowych, ich rozwój napotykał istotną barierę biologiczną – niedobór tlenu. Komórki zamknięte w implantach konkurują o ograniczone zasoby tlenowe, co prowadzi do ich obumierania i ogranicza skuteczność terapeutyczną.

Zespół badawczy opracował rozwiązanie tego problemu poprzez bezpośrednią generację tlenu w miejscu, gdzie jest on potrzebny. Technologia ta bazuje na wcześniejszych badaniach opublikowanych w Nature Communications w 2023 roku, w których zaprezentowano miniaturowe urządzenie elektrochemiczne zdolne do rozkładu cząsteczek wody i lokalnej produkcji tlenu.

Nowa generacja systemu HOBIT stanowi istotne rozwinięcie tej koncepcji – integruje generację tlenu z w pełni implantowalnym, bezprzewodowym systemem przeznaczonym do długoterminowego stosowania.

Budowa i działanie systemu HOBIT

System HOBIT składa się z trzech głównych komponentów:

• komory komórkowej zawierającej genetycznie zmodyfikowane komórki,
• miniaturowego generatora tlenu,
• układu elektronicznego zasilanego baterią, kontrolującego produkcję tlenu i umożliwiającego komunikację bezprzewodową.

Bezpośrednia produkcja tlenu w obrębie implantu zapewnia komórkom stałe warunki do przeżycia nawet w środowisku o niskiej dostępności tlenu. Dzięki temu możliwe było uzyskanie znacznie wyższej gęstości komórek – około sześciokrotnie większej niż w standardowych systemach enkapsulacji bez wsparcia tlenowego.

Wydłużenie przeżywalności i skuteczności komórek

Aby ocenić skuteczność platformy, naukowcy wykorzystali komórki produkujące trzy różne biologiczne substancje o odmiennych okresach półtrwania. Urządzenia implantowano podskórnie u szczurów i monitorowano poziomy leków we krwi przez 30 dni.

W grupie z implantami wyposażonymi w system generacji tlenu utrzymywały się stabilne poziomy wszystkich trzech substancji przez cały okres badania. W grupie kontrolnej, bez dostarczania tlenu, substancje o krótkim okresie półtrwania stawały się niewykrywalne już po 7 dniach, natomiast te o dłuższym okresie półtrwania wykazywały stopniowy spadek stężenia.

Po zakończeniu eksperymentu około 65% komórek w implantach z systemem tlenowym pozostawało żywotnych, w porównaniu do około 20% w urządzeniach kontrolnych.

Perspektywy rozwoju technologii

Kolejnym etapem badań będą testy w większych modelach zwierzęcych oraz rozwój zastosowań ukierunkowanych na konkretne choroby, w tym terapii opartych na przeszczepach komórek trzustkowych.

„Zaczynamy obserwować, jak bioelektronika i terapia komórkowa mogą współdziałać w ramach jednej platformy” – zaznacza Rivnay. „W przyszłości takie urządzenia mogą pełnić funkcję programowalnych fabryk leków w organizmie, dostarczając złożone terapie w sposób dotąd nieosiągalny.”

Źródło: Device, Design of a wireless, fully implantable platform for in-situ oxygenation of encapsulated cell therapies
DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.device.2026.101106