Scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hanno sviluppato nanoparticelle di insulina che un giorno potrebbero diventare la base per una medicina orale, e un'alternativa alle iniezioni di insulina per i pazienti diabetici.

In uno studio preclinico, il team di NTU Singapore ha somministrato nanoparticelle contenenti insulina ai ratti e ha scoperto che l'insulina aumentava nel loro sangue pochi minuti dopo.

La terapia insulinica è spesso una parte importante del trattamento del diabete, una malattia metabolica che colpisce 422 milioni di persone nel mondo. A Singapore, si prevede che il numero di diabetici aumenterà fino a raggiungere 1 milione, quasi un quinto della popolazione, nel 2050.

La somministrazione di insulina per via orale sarebbe preferibile rispetto ai colpi di insulina per i pazienti perché provoca meno dolore dei colpi, e potrebbe quindi portare a una migliore compliance del paziente. Ma il dosaggio orale rimane una sfida. Poiché l'insulina è una proteina, viene scomposto nel tratto gastrointestinale prima ancora che possa raggiungere il flusso sanguigno per regolare la glicemia.

Per vincere questa sfida, il team interdisciplinare composto da scienziati della School of Materials Science and Engineering della NTU e della Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine) ha progettato una nanoparticella caricata con insulina nel nucleo, poi rivestito con strati alternati di insulina e chitosano, uno zucchero naturale Il dosaggio si ottiene controllando il numero di strati nella nanoparticella.

Attraverso esperimenti di laboratorio che utilizzano colture cellulari e modelli di ratto, il team guidato dal principale ricercatore della NTU Dr. Huang Yingying, Professore Associato Yusuf Ali e l'ex Professore NTU Subbu Venkatraman, hanno dimostrato che questa nanoparticella rivestita strato per strato è stabile mentre passa attraverso lo stomaco nell'intestino tenue con un rilascio minimo di insulina, ed è in grado di passare attraverso le pareti intestinali nel flusso sanguigno.

Dr. Huang Yingying della School of Materials Science and Engineering presso NTU, l'autore principale dello studio, ha dichiarato:"Gli sforzi per sviluppare prodotti per l'insulina orale hanno avuto scarso successo perché questi prodotti presentano un rischio per la sicurezza, o richiedono dosaggi frequenti a causa della capacità del farmaco di contenere solo una piccola quantità di insulina. I test della nostra nanoparticella di insulina sviluppata da NTU nei ratti mostrano che può trasportare una quantità sufficiente di insulina per l'effetto terapeutico desiderato e allo stesso tempo è abbastanza piccola da passare attraverso le pareti intestinali nel flusso sanguigno. Ciò indica la sua potenziale applicazione per la somministrazione orale di insulina negli esseri umani. Riteniamo che lo stesso concetto potrebbe essere utile anche per altri farmaci proteici che normalmente devono essere iniettati".

Professore associato Yusuf Ali di NTU LKCMedicine, il coautore dello studio, ha dichiarato:"L'insulina viene ora somministrata sotto la pelle con un ago sottile più volte al giorno, a seconda della formulazione. A parte il dolore e il disagio, questi colpi comportano anche il rischio che i pazienti non siano consapevoli del loro basso livello di zucchero nel sangue, che potrebbe trasformarsi in una condizione potenzialmente mortale in un diabetico. LKCMedicine sta ora portando avanti lo sviluppo di questa nanoparticella con più lavoro preclinico, e siamo fiduciosi che il nostro lavoro possa un giorno sostituire le dolorose iniezioni di insulina con una semplice e piccola pillola".

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nanoscala a novembre.

Un approccio multistrato alla somministrazione orale di insulina

L'insulina è un ormone naturale che è fondamentale per la regolazione dei livelli di glucosio nel sangue, soprattutto dopo un pasto.

Negli individui sani, l'insulina prodotta nel pancreas entra nel flusso sanguigno e viene distribuita agli organi metabolici chiave. istruisce il fegato, muscoli, e le cellule adipose per assorbire più glucosio dal flusso sanguigno e conservarlo per un uso futuro.

Allo stesso tempo, l'insulina spinge il fegato ad abbassare il tasso di nuova produzione di glucosio, e del tutto, questi servono a ridurre efficacemente i livelli di glucosio nel sangue.

In contrasto, i pazienti diabetici non producono insulina sufficiente per soddisfare le richieste del corpo. Nei casi gravi, insulin needs to be given via a needle into the fatty tissue beneath the skin. Da li, it goes into the general blood circulation throughout the body before traveling to the liver.

The NTU-developed oral insulin nanoparticle more closely mimics the route by which natural insulin enters the bloodstream from the liver, an important organ for controlling blood glucose levels.

Each of these nanoparticles is about 200nm in size—at least 1, 000 times smaller than a pollen grain. Insulin is first loaded into the liposome, a tiny sphere at the core of the nanoparticle. The liposome is then coated with 11 alternating layers of insulin and chitosan of three different molecular weights, an approach that allows more insulin to be loaded.

When the insulin nanoparticle enters an acidic environment of the stomach, its layers start to repel each other, resulting in the slow release of insulin from the outermost layer, and leading inwards. While it loses some insulin as it travels down the gastrointestinal tract, the nanoparticle has enough coatings that by the time it is transported through the intestinal wall and into the bloodstream, the insulin in the remaining layers and at the liposome core is still intact.

Proof-of-concept study

To investigate the feasibility of the insulin nanoparticle for oral delivery, the NTU team first conducted a series of lab experiments to establish the nanoparticle's stability, its ability to pass through the intestinal wall, and the efficacy of the insulin in the nanoparticles that have been transported through the intestinal wall.

After leaving the nanoparticles in fluid that simulates the stomach environment, the team found that 6 percent of the insulin from the nanoparticle was released in one hour, and 94 percent remained encapsulated. It takes about one hour for food to pass through the stomach and into the small intestine, which has a less harsh environment.

When tested on the human cell line Caco-2—a widely used model for studying the transport of molecules across the intestinal wall—the scientists found that the amount of insulin transported across was three times higher when loaded into the nanoparticle, compared to bare insulin solution.

The scientists also tested the rate at which nanoparticle insulin is absorbed and cleared in the bloodstream of rats. In rats fed orally with insulin nanoparticles, the insulin concentration in the blood peaked at the 30-minute mark and was entirely eliminated in four hours.

Assoc Prof Yusuf Ali said:"Taken together, these lab experiments showed that our layer-by-layer approach limited the exposure of insulin to the gastrointestinal environment, preventing premature degradation of the insulin. We are now studying if this peak comes earlier than the 30-minute mark—an indicator of how closely the insulin from our nanoparticle follows the ebb and flow of naturally-produced insulin in the bloodstream."

The rapid absorption and elimination of insulin released from these multi-layered nanoparticles demonstrates a proof of concept in replicating meal-related metabolic responses in individuals without diabetes, said Dr. Huang, adding that the level of insulin concentration can be further increased by repeating the number of alternating insulin and chitosan layers on the nanoparticle surface.