Są cieńsze niż włos – a mogą znacząco zwiększyć skuteczność leków wziewnych: cząstki nośnikowe w inhalatorach proszkowych transportują substancję czynną i zapewniają jej efektywne dotarcie do płuc. Skuteczność tego procesu zależy w dużej mierze od kształtu nośnika.
Zespół pod kierunkiem profesor Reginy Scherließ z Uniwersytetu Christiana Albrechta w Kilonii (CAU) po raz pierwszy wytworzył mikroskopijne cząstki nośnikowe o precyzyjnie określonej geometrii i zbadał jej wpływ na proces inhalacji – wykorzystując do tego wysoce precyzyjny 3D-druk. Wyniki pracy, opublikowane w Communications Materials, wykazały, że kształt cząstki w dużym stopniu determinuje ilość substancji czynnej, jaka rzeczywiście trafia do płuc. Spośród czterech testowanych modeli zdecydowanie najlepiej wypadł wariant nazwany „Pharmacone”.
Miliony identycznych mikropartykuł
Zastosowanie innowacyjnego druku 3D umożliwiło seryjne wytwarzanie milionów cząstek o identycznym kształcie. Kluczowe znaczenie miała tutaj metoda dwufotonowej polimeryzacji, pozwalająca na uzyskanie rozdzielczości w nanoskali. Laser utwardza punktowo materiał, tworząc struktury o skomplikowanej geometrii. Dzięki nowej technologii opracowanej w Instytucie Technologicznym w Karlsruhe (KIT) udało się równocześnie drukować 49 struktur, co znacznie przyspieszyło proces.
Dla każdego z czterech testowanych projektów wytworzono ponad dwa miliony identycznych cząstek. Dodatkowo, w jednym z wariantów przygotowano trzy wersje różniące się chropowatością powierzchni – od bardzo gładkiej po wyraźnie szorstką. Następnie cząstki zmieszano z modelowym lekiem, symulując typową formulację proszkowego preparatu wziewnego.
„Aby lek zadziałał, musi podczas inhalacji odłączyć się od nośnika i razem z powietrzem dotrzeć do płuc” – wyjaśnia pierwszy autor badania, Melvin Wostry. „Jeżeli substancja pozostanie przyczepiona, zostanie połknięta i nie osiągnie celu terapeutycznego”.
Wyniki badań
Analizy ujawniły, że geometria nośników w sposób zasadniczy wpływa na ilość leku uwalnianego podczas inhalacji. Najlepszy wynik uzyskał projekt „Pharmacone”, przypominający w kształcie gwiazdkę z licznymi wypustkami. Udział frakcji drobnocząsteczkowej (frakcja respirabilna), czyli tej poniżej pięciu mikrometrów – odpowiadającej cząstkom zdolnym do penetracji dystalnych odcinków płuc – był aż czterokrotnie wyższy niż w przypadku drugiego najlepszego modelu. Badacze sugerują, że ostre krawędzie i wypustki „Pharmacone” sprzyjają częstszym kolizjom i rotacjom cząstek, co ułatwia odrywanie się substancji czynnej. Z kolei różnice w chropowatości powierzchni nie miały istotnego wpływu na uwalnianie leku.
Perspektywy kliniczne
Na obecnym etapie są to cząstki modelowe, stworzone do badań podstawowych i nieprzeznaczone do inhalacji u ludzi. Autorzy badań widzą jednak duży potencjał praktyczny. W przyszłości takie precyzyjnie drukowane struktury mogłyby być projektowane jako bioresorbowalne nośniki substancji czynnych w inhalatorach proszkowych.
„Nasze wyniki pokazują, że dzięki nowoczesnym technologiom, takim jak druk 3D o ultrawysokiej rozdzielczości, można otworzyć zupełnie nowe możliwości w rozwoju leków” – podkreśla Regina Scherließ. „Możemy w sposób kontrolowany kształtować zachowanie preparatów na poziomie mikrometrów, dopasowując je do potrzeb klinicznych”.
Współpraca i finansowanie
Badania przeprowadzono we współpracy z Instytutem Technologicznym w Karlsruhe (KIT), gdzie rok wcześniej rozwinięto użyte w tym projekcie rozwiązania drukarskie. Prace były finansowane przez Niemiecką Wspólnotę Badawczą (DFG), Fundację Carla Zeissa oraz program Helmholtz „Materials Systems Engineering”.
Źródło: Nature Communications Materials, Aerodynamic Performance of Tailored Microparticles as Carriers in Dry Powder Inhaler Formulations Made by Multi-Focus Multi-Photon 3D Laser Printing
DOI: 10.1038/s43246-025-00913-0
