Kirigami is een Japanse traditie waarbij papier op kunstige en ingewikkelde manieren gesneden en gevouwen wordt tot driedimensionale objecten. Amerikaanse onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (V.S.) hebben met deze techniek nu een nieuw soort stent ontworpen die medicijnen op de juiste plek in het lichaam kunnen brengen. De stent is gemaakt om geplaatst te worden in buisvormige organen zoals de darmen en de bovenste luchtwegen. Wetenschappelijk tijdschrift Nature Materials besteedde aandacht aan dit onderzoek.

De stents die ontwikkeld zijn in Boston zijn bekleed met een coating van plastic die is bezet met minuscule naaldjes die met lasers uitgesneden zijn en naar buiten komen als de stent uitgerekt wordt doordat er in de buis een ballonnetje wordt opgeblazen. De naaldjes zetten zich dan vast in de darm of luchtpijp en leveren microdeeltjes met medicijn af op precies de juiste plek. De stent kan dan verwijderd worden, en de microdeeltjes blijven achter om gedurende een langere periode medicijn af te geven.

Omwenteling

Hoofdonderzoeker prof. Giovanni Traverso denkt dat op deze manier inflammatoire aandoeningen van het spijsverteringskanaal beter behandeld kunnen worden. “Maar de technologie kan in elk buisvormig orgaan toegepast worden. De mogelijkheid om drugs lokaal af te leveren kan voor een omwenteling zorgen in hoe we patiënten behandelen. Door een enkele behandeling zijn we instaat om langdurig medicatie op precies de juiste plek af te leveren.”

Inflammatoire aandoeningen van de dikke darm, zoals prikkelbare darm syndroom (PDS) worden vaak behandeld met systemische geneesmiddelen die het gehele afweersysteem dempen. Ze worden doorgaans intraveneus toegediend, en dat houdt vaak in dat er elders in het lichaam bijwerkingen optreden. Traverso en zijn team wilden daarom een manier bedenken om medicatie rechtstreeks op de plaats van bestemming te brengen.

Stents bestaan al langer als een manier om medicijn op een bepaalde plek in het spijsverteringskanaal af te leveren, maar plaatsing van een stent in de darmen of slokdarm is moeilijk omdat er voortdurend voedsel door de darm beweegt dat de stent van zijn plaats brengt. De onderzoekers zochten naar een manier om ervoor te zorgen dat een stent tijdelijk ingebracht kon worden, zich stevig aan het weefsel zou hechten om de ‘payload’ af te geven, en dan eenvoudig weer verwijderd kon worden.

Twee elementen

De stent die ze ontwierpen heeft twee elementen. Een zachte, rekbare buis van siliconen en een plastic huls die met speciale naaldjes is bezet die omhoog komen als de buis uitgerekt wordt. Hoofdonderzoeker Sabah Babaee: “Wat onze aanpak vernieuwend maakte is dat we keken naar technieken en concepten uit de mechanica, maar ook naar de dierenschubben. Zo ontwikkelden we een nieuwe manier om medicijn af te geven, rechtstreeks in de wand van buisvormige organen. Dankzij de kirigami techniek konden we de stents een transformatie laten ondergaan: van plat naar 3D, met uitstekende naalden om zich in de darmwand te verankeren. En weer terug naar plat om de stent eenvoudig te kunnen verwijderen.

Endoscoop

De plastic micronaaldjes werden in het onderzoek met microdeeltjes bekleed, die ook in staat zijn om geneesmiddelen mee te dragen. Via een endoscoop wordt de stent op de juiste plek aangebracht. Vervolgens wordt er via diezelfde endoscoop een ballonnetje in de stent opgeblazen, waardoor die uitrekt, en daardoor komen de naaldjes in de plastic coating vanzelf omhoog. De onderzoekers creëerden kirigami-naaldjes in verschillende vormen en maten en varieerden ook met de dikte van de plastic huls. Op die manier kan exact bepaald worden hoe diep de naaldjes in het weefsel van de darmwand doordringen. “Bovendien kunnen we daardoor onze stents exact passend maken”, licht Babaee toe.

Luttele minuten

Vooralsnog zijn de stents nog alleen op de slokdarmen van varkens getest. De naaldjes waren bekleed met microdeeltjes met budesonide, een steroïde die wordt ingezet bij de behandeling van PDS en eosinofiele oesofagitis. Nadat de ballon opgeblazen was drongen de naaldjes ongeveer een halve millimeter diep in het weefsel en gaven het middel af. De onderzoekers lieten de ballon leeglopen, de naaldjes trokken zich terug en de buis werd weer plat, en kon verwijderd worden. Het hele proces nam luttele minuten in beslag, maar de microdeeltjes bleven een week lang op de juiste plek budesonide afgeven.

Volgens Traverso is het zelfs mogelijk om de microdeeltjes zo aan te passen dat ze nog veel langer geneesmiddel kunnen afgeven. Dat zou het makkelijker maken voor patiënten die het lastig vinden om op tijd hun medicijnen in te nemen, bijvoorbeeld dementerende ouderen. Door af en toe een korte procedure met de endoscoop te ondergaan hoeven ze daarna langere tijd geen geneesmiddel meer in te nemen. Daarnaast voorkomt deze manier van behandelen het optreden van allerlei bijwerkingen die mogelijk wel optreden bij intraveneuze medicatie.

Bloedvaten

De onderzoekers denken dat het ook mogelijk moet zijn om de stents in te zetten in bloedvaten en in de luchtwegen, en werken aan manieren om ook andere soorten geneesmiddel op deze manier af te leveren. Uiteindelijk moeten de nieuwe kirigami-stents op menselijke proefpersonen getest worden alvorens goedkeuring bij de medicijnautoriteiten gevraagd kan worden.

Referentie

Babaee, S., Shi, Y., Abbasalizadeh, S. et al. Kirigami-inspired stents for sustained local delivery of therapeutics. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01031-1