Biologisch abbaubare Pille verbessert die Überwachung der Medikamenteneinhaltung

In einem Fortschritt, der dazu beitragen könnte, sicherzustellen, dass Menschen ihre Medikamente pünktlich einnehmen, haben MIT-Ingenieure eine Pille entwickelt, die melden kann, wenn sie geschluckt wurde.

Das neue Meldesystem, das in bestehende Pillenkapseln integriert werden kann, enthält eine biologisch abbaubare Hochfrequenzantenne. Nachdem das Signal gesendet wurde, dass die Pille eingenommen wurde, werden die meisten Bestandteile im Magen abgebaut, während ein winziger RF-Chip durch den Verdauungstrakt aus dem Körper gelangt.

Diese Art von System könnte für die Überwachung von Transplantationspatienten nützlich sein, die immunsuppressive Medikamente einnehmen müssen, oder für Menschen mit Infektionen wie HIV oder Tuberkulose, die über einen längeren Zeitraum behandelt werden müssen, sagen die Forscher.

„Das Ziel besteht darin, sicherzustellen, dass die Menschen dadurch die Therapie erhalten, die sie benötigen, um ihre Gesundheit zu maximieren“, sagt Giovanni Traverso, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital und assoziiertes Mitglied des Broad Institute of MIT and Harvard.

Traverso ist der leitende Autor der neuen Studie, die heute in erscheint Naturkommunikation. Mehmet Girayhan Say, ein MIT-Forscher, und Sean You, ein ehemaliger MIT-Postdoc, sind die Hauptautoren des Papiers.

Eine Pille, die kommuniziert

Das Versäumnis der Patienten, ihre Medikamente wie verordnet einzunehmen, stellt eine große Herausforderung dar, die jährlich zu Hunderttausenden vermeidbaren Todesfällen und Gesundheitskosten in Milliardenhöhe führt.

Um den Menschen die Einnahme ihrer Medikamente zu erleichtern, hat Traversos Labor an Verabreichungskapseln gearbeitet, die tage- oder wochenlang im Verdauungstrakt verbleiben und zu festgelegten Zeiten Dosen abgeben können. Allerdings ist dieser Ansatz möglicherweise nicht mit allen Medikamenten kompatibel.

Wir haben Systeme entwickelt, die über einen langen Zeitraum im Körper verbleiben können, und wir wissen, dass diese Systeme die Therapietreue verbessern können, aber wir wissen auch, dass wir bei bestimmten Medikamenten die Pille nicht wechseln können. Die Frage lautet: Was können wir sonst noch tun, um der Person zu helfen und ihren Gesundheitsdienstleistern dabei zu helfen, sicherzustellen, dass sie die Medikamente erhält?“

Giovanni Traverso, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT

In ihrer neuen Studie konzentrierten sich die Forscher auf eine Strategie, die es Ärzten ermöglichen würde, genauer zu überwachen, ob Patienten ihre Medikamente einnehmen. Mithilfe von Radiofrequenz – einem Signaltyp, der von außerhalb des Körpers leicht erkannt werden kann und für den Menschen ungefährlich ist – entwickelten sie eine Kapsel, die kommunizieren kann, nachdem der Patient sie geschluckt hat.

Es gab bereits früher Versuche, HF-basierte Signalgeräte für Medikamentenkapseln zu entwickeln, aber diese bestanden alle aus Komponenten, die im Körper nicht leicht zersetzt werden und durch das Verdauungssystem wandern müssten.

Um das potenzielle Risiko einer Verstopfung des Magen-Darm-Trakts zu minimieren, beschloss das MIT-Team, ein RF-basiertes System zu entwickeln, das bioresorbierbar ist, was bedeutet, dass es vom Körper abgebaut und absorbiert werden kann. Die Antenne, die das HF-Signal aussendet, besteht aus Zink und ist in ein Zellulosepartikel eingebettet.

„Wir haben diese Materialien aufgrund ihres sehr guten Sicherheitsprofils und ihrer Umweltverträglichkeit ausgewählt“, sagt Traverso.

Die Zink-Zellulose-Antenne wird aufgerollt und zusammen mit dem zu verabreichenden Medikament in eine Kapsel gelegt. Die äußere Schicht der Kapsel besteht aus Gelatine, die mit einer Schicht aus Zellulose und entweder Molybdän oder Wolfram beschichtet ist, die die Emission jeglicher HF-Signale blockiert.

Sobald die Kapsel geschluckt wird, bricht die Beschichtung auf und das Medikament wird zusammen mit der HF-Antenne freigesetzt. Die Antenne kann dann ein von einem externen Empfänger gesendetes HF-Signal empfangen und mithilfe eines kleinen HF-Chips ein Signal zurücksenden, um zu bestätigen, dass die Kapsel verschluckt wurde. Diese Kommunikation erfolgt innerhalb von 10 Minuten nach dem Schlucken der Pille.

Der etwa 400 mal 400 Mikrometer große RF-Chip ist ein handelsüblicher Chip, der nicht biologisch abbaubar ist und über den Verdauungstrakt ausgeschieden werden müsste. Alle anderen Bestandteile würden innerhalb einer Woche im Magen abgebaut.

„Die Komponenten sind so konzipiert, dass sie sich über Tage hinweg zersetzen, indem Materialien mit bewährten Sicherheitsprofilen wie Zink und Zellulose verwendet werden, die in der Medizin bereits weit verbreitet sind“, sagt Say. „Unser Ziel ist es, eine langfristige Akkumulation zu vermeiden und gleichzeitig eine zuverlässige Bestätigung der Einnahme einer Pille zu ermöglichen. Die längerfristige Sicherheit wird weiterhin evaluiert, während sich die Technologie dem klinischen Einsatz nähert.“

Einhaltung fördern

Tests in einem Tiermodell zeigten, dass das HF-Signal erfolgreich aus dem Mageninneren übertragen wurde und von einem externen Empfänger in einer Entfernung von bis zu 60 cm gelesen werden konnte. Bei einer Entwicklung für den Einsatz am Menschen stellen sich die Forscher die Entwicklung eines tragbaren Geräts vor, das das Signal empfangen und es dann an das Gesundheitsteam des Patienten weiterleiten könnte.

Die Forscher planen nun weitere präklinische Studien und hoffen, das System bald am Menschen testen zu können. Eine Patientengruppe, die von dieser Art der Überwachung stark profitieren könnte, sind Menschen, die kürzlich eine Organtransplantation hatten und immunsuppressive Medikamente einnehmen müssen, um sicherzustellen, dass ihr Körper das neue Organ nicht abstößt.

„Wir möchten Medikamenten Vorrang einräumen, die bei Nichteinhaltung eine wirklich schädliche Wirkung für den Einzelnen haben könnten“, sagt Traverso.

Andere Bevölkerungsgruppen, die davon profitieren könnten, sind Menschen, denen kürzlich ein Stent eingesetzt wurde und die Medikamente einnehmen müssen, um eine Blockierung des Stents zu verhindern, Menschen mit chronischen Infektionskrankheiten wie Tuberkulose und Menschen mit neuropsychiatrischen Erkrankungen, deren Erkrankungen ihre Fähigkeit, ihre Medikamente einzunehmen, beeinträchtigen können.

Die Forschung wurde von Novo Nordisk, der Abteilung für Maschinenbau des MIT, der Abteilung für Gastroenterologie am Brigham and Women’s Hospital und der US Advanced Research Projects Agency for Health finanziert.

Quellen: