Умный пластырь предотвратит передозировку опиоидами

Пластырь размером меньше монетки в один пенни может однажды спасти жизни людей, получивших передозировку фентанилом, – даже когда рядом нет никого, кто мог бы помочь. Исследователи с кафедры инженерии биологических систем Технологического института Вирджинии разработали носимый пластырь с микроиглами, который может обнаруживать фентанил в организме и автоматически высвобождать налоксон – препарат, способный купировать передозировку опиоидами.

Эта технология может изменить методы лечения передозировки опиоидами, сделав возможным вмешательство по спасению жизни без помощи стороннего наблюдателя.

Пластырь, получивший название iNal patch, был разработан исследовательской группой под руководством Уцзинь Сунь – доцента кафедры биологических систем инженерии как в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни, так и в Инженерном колледже.

Результаты работы команды опубликованы в журнале Передовая наука (Advanced Science).

“В обычных ситуациях при передозировке рядом должен быть кто-то, кто сможет вас спасти”, – говорит Сунь. “В этом случае нам не нужен посторонний, потому что мы постоянно под защитой”.

Пластырь, который чувствует и реагирует

Пластырь оснащен 121 микроскопической иглой, которые достигают жидкости непосредственно под кожей. При надавливании на пластырь иглы проникают ровно настолько, чтобы получить доступ к этой жидкости, причиняя при этом минимальный ущерб тканям.

Внутри пластыря находятся пористые наночастицы диоксида кремния, наполненные налоксоном –  препаратом, блокирующим действие опиоидов. Отверстия этих наночастиц закрыты молекулярными затворами, чувствительными к фентанилу.

Когда фентанил достигает пластыря, он заставляет затворы открыться, позволяя налоксону высвободиться. Более высокие концентрации фентанила провоцируют высвобождение большего количества лекарства.

Поскольку во время каждого срабатывания открывается лишь часть пор, в пластыре остаётся запас налоксона — он может быть высвобожден при последующем воздействии фентанила.

Пэнхуэй Чжао, первый автор статьи и приглашённый преподаватель Академии интегрированных наук Технологического института Вирджинии, руководил разработкой и тестированием пластыря.

«Одной из самых серьёзных технических сложностей было подобрать правильное сочетание биоматериалов и технологии микроигл, чтобы обеспечить надёжное высвобождение лекарства по требованию, сохранив при этом механическую прочность, биосовместимость и чувствительность», – отмечает Чжао.

Функция многократного высвобождения может быть особенно важна, поскольку действие фентанила может длиться дольше, чем действие налоксона. После того как эффект от первоначальной дозы налоксона ослабевает, симптомы передозировки могут вернуться. Пластырь рассчитан на повторное срабатывание, если уровень фентанила остаётся высоким.

Сун описывает устройство как инструмент снижения вреда, а не как замену обезболивающих препаратов или иной медицинской помощи. Опиоиды часто назначают для обоснованного обезболивания, а случайные передозировки могут возникать, если человек запутается, принял ли он уже дозу.

«Мы ожидаем наличия определённой концентрации опиоидов в кровотоке – ведь нужно обеспечить обезболивание, – говорит Сунь. “Но мы не хотим, чтобы она была слишком высокой. Мы разработали датчик для мониторинга концентрации опиоидов; как только она достигает порогового значения, запускается высвобождение антагониста, который может предотвратить передозировку”.

Хотя для демонстрации работы системы исследователи использовали фентанил и налоксон, Сунь отмечает, что лежащую в основе химию можно адаптировать для распознавания других опиоидов или высвобождения иных препаратов, блокирующих их действие.

Многообещающие результаты раннего тестирования

Сначала исследователи протестировали пластырь в лабораторных условиях, чтобы выяснить, будет ли фентанил надёжно запускать высвобождение налоксона. Система реагировала в течение нескольких минут, выделяла большее количество налоксона по мере роста концентрации фентанила и продолжала высвобождать лекарство до 24 часов.

Затем они протестировали пластырь на мышах. Пластырь выделял больше налоксона при увеличении дозы фентанила и сохранял реакцию как минимум при трёх отдельных воздействиях фентанила.

“Самый волнующий момент наступил во время исследований на животных, – говорит Чжао. “То, что пластырь реагировал на воздействие фентанила и эффективно устранял вызванные опиоидами эффекты, показало нам, что эта технология потенциально может работать не только в лаборатории”.

У мышей, к которым применяли пластырь, наблюдалось значительно меньше симптомов, вызванных опиоидами, по сравнению с мышами, подвергшимися воздействию фентанила без пластыря.

Исследователи не выявили существенных признаков того, что пластырь вызывает раздражение или иные вредные эффекты. Однако необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, насколько хорошо он сохраняет свои свойства с течением времени, насколько стабильно работает на разных типах кожи и в реальных условиях, а также насколько точно способен реагировать на разные опиоиды.

Переход от лабораторного к клиническому использованию

Проект начался в 2022 году и стал результатом более широкого интереса к разработке систем доставки лекарств, отвечающих клиническим требованиям.

“Я искал задачу, где инженерные решения могли бы реально что‑то изменить”, – говорит Сунь. “Когда я подробнее узнал о передозировках опиоидами и о том, сколько жизней они уносят, я понял, что хочу помочь решить эту проблему”.

Сунь и Чжао подали заявку на патент, связанный с технологией. В настоящее время Сунь изучает дальнейшие шаги по превращению пластыря в продукт, который в конечном итоге может быть использован за пределами лаборатории.

“Это очень общая платформа”, – говорит Сунь. “У нее много возможностей”.