Việc cung cấp thuốc là về việc cải thiện hiệu quả và tính an toàn của liệu pháp bằng cách đưa đúng liều lượng thuốc phù hợp đến đúng nơi với đúng tốc độ và thời gian. Các phương pháp tiếp cận để cung cấp thuốc đã tồn tại trong nhiều trăm năm; các bác sĩ Ai Cập đã tạo ra viên thuốc uống và thuốc mỡ, và các bác sĩ bắt đầu sử dụng phương pháp cung cấp thuốc qua đường tĩnh mạch sau khi hệ thống tuần hoàn được mô tả lần đầu tiên vào năm 1657. Các công nghệ giải phóng có kiểm soát có từ giữa những năm 1650. [1]
Lợi ích của việc sử dụng hệ thống phân phối thuốc bao gồm: [1, 2]
• giao hàng trong thời gian dài
• sự tiện lợi hơn cho bệnh nhân
• cung cấp các loại thuốc khó bào chế, chẳng hạn như các phân tử sinh học lớn, thuốc ít tan trong nước hoặc thuốc có cửa sổ điều trị hẹp
• đưa thuốc qua các rào cản sinh lý, ví dụ như da, hàng rào máu não và hàng rào máu võng mạc
• phân phối tại chỗ làm giảm độc tính toàn thân và cho phép dùng liều thuốc thấp hơn.
Những thách thức mà quá trình phát triển cung cấp thuốc phải đối mặt bao gồm: [1-3]
• kết hợp và kiểm soát lịch trình dùng thuốc phức tạp hoặc liều dùng cá nhân hóa vào hệ thống phân phối
• xử lý các phản ứng thuốc thay đổi được kích hoạt bởi các biến động sinh học định kỳ
• cung cấp phác đồ nhiều loại thuốc
• giữ thuốc ổn định trong khi được giữ trong hệ thống phân phối.
Hệ thống phân phối thuốc có nhiều dạng từ gel và miếng dán, đến vi cầu và hạt nano, cho đến các thiết bị phức tạp như máy bơm bên ngoài hoặc cấy ghép và hệ thống vi cơ điện tử (MEMS).
Giới thiệu về hệ thống vi cơ điện tử
MEMS là các thiết bị tích hợp nhỏ kết hợp các thành phần điện và cơ, và đã trở nên khả thi nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực vi lưu và thu nhỏ điện tử. Chúng bao gồm từ các hệ thống đơn giản không có bộ phận chuyển động đến các hệ thống cực kỳ phức tạp. MEMS có thể được sản xuất vô trùng bằng vật liệu tương thích sinh học và chúng có thể được niêm phong kín. Thuốc MEMSvận chuyểnthiết bị thường bao gồm ba thành phần: buồng thuốc, cơ chế giải phóng thuốc và bao bì, và có thể kết hợp các cảm biến, kênh, máy bơm, van, kim, màng và một hoặc nhiều bình chứa thuốc. [1-5]
Thiết bị MEMS có thể cấy ghép hoặc đeo được, và có ứng dụng trong bệnh mãn tính và dài hạn. Chúng có thể đưa thuốc đến các vị trí cụ thể và một số có thể đưa nhiều loại thuốc. Những thiết bị có cảm biến tích hợp có thể điều chỉnh tốc độ đưa thuốc theo nhu cầu của bệnh nhân dựa trên việc phát hiện các dấu hiệu sinh tồn hoặc dấu hiệu sinh học. [1, 5, 6]
MEMS nhỏ và nhẹ và có thể dễ dàng tích hợp với các mạch điện và điện tử. Các thiết bị MEMS có thể được cấp nguồn hoặc không cấp nguồn. MEMS được cấp nguồn có mức tiêu thụ điện năng thấp và có thể tự cấp nguồn. Tuy nhiên, các thiết bị MEMS có một số nhược điểm. Chúng có thể dễ vỡ và có thể hỏng do nhiễm bẩn, mỏi, ma sát hoặc hao mòn. [5]
Phân phối thuốc MEMS không cần nguồn điện
Các thiết bị MEMS không dùng nguồn điện có thể nhỏ hơn các thiết bị dùng nguồn điện vì chúng không cần nguồn điện. Tốc độ phân phối của chúng có thể được thay đổi bằng cách sử dụng các vật liệu hoặc công thức thuốc khác nhau và bằng các đặc tính môi trường tại vị trí phân phối. Tuy nhiên, chúng có thể có tốc độ giải phóng thấp và chỉ phản ứng chậm với các kích thích bên ngoài. Tốc độ phân phối thường không thể thay đổi hoặc dừng lại sau khi dùng thuốc. Các phương pháp tiếp cận không dùng nguồn điện bao gồm các thiết bị khuếch tán thụ động, áp suất thẩm thấu, hydrogel và vi kim. [1]
Cung cấp thuốc MEMS có nguồn điện
Các thiết bị MEMS có nguồn điện phức tạp hơn và thường lớn hơn các thiết bị không có nguồn điện, nhưng chúng có tốc độ giải phóng cao hơn, phản ứng nhanh hơn và có thể được điều khiển bên ngoài. Các máy bơm vi mô có thể là điện từ, áp điện, tĩnh điện, nhiệt khí nén, lưỡng kim, điện hóa hoặc sử dụng hợp kim nhớ nhiệt/hình dạng, trong số các phương pháp tiếp cận khác. [1]
Thiết bị cung cấp thuốc được cấp nguồn cho phép bác sĩ điều chỉnh việc cung cấp thuốc chính xác thông qua giám sát thời gian thực và cảm biến vật lý. Ví dụ, tuyến tụy bên ngoài kết hợp bơm insulin với giám sát glucose liên tục có thể được lập trình và giám sát bên ngoài thông qua điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng. [1]
Ứng dụng MEMS: Đưa thuốc vào não
Phát triển các phương pháp điều trị hiệu quả cho các rối loạn hệ thần kinh trung ương, bao gồm các rối loạn thoái hóa thần kinh, đột quỵ và ung thư não, dựa vào việc đưa thuốc vào não. Tuy nhiên, não được bảo vệ rất hiệu quả bởi hàng rào máu não, hàng rào máu não tủy và hàng rào màng nhện, và việc vượt qua những hàng rào này là một thách thức. Các hệ thống MEMS đủ nhỏ để cấy ghép, có thể được điều khiển bên ngoài với độ chính xác cao và có thể đưa một hoặc nhiều loại thuốc vào cung cấp một giải pháp tiềm năng. [7, 8]
Các phương pháp tiếp cận tiềm năng để đưa thuốc MEMS vào não bao gồm một đầu dò điện phân được điều khiển không dây có thể đưa thuốc vào vùng sâu trong não, đưa thuốc hóa trị vào khối u trong bệnh u thần kinh đệm hoặc đưa thuốc vào sọ não bằng thiết bị điện tử mềm phân hủy sinh học, trong đó quá trình đưa thuốc được kích hoạt không dây và sau đó MEMS phân hủy sinh học sau một khoảng thời gian cụ thể. [9-11]
Ứng dụng MEMS: Vận chuyển thuốc qua da
Việc đưa thuốc qua da là một con đường không xâm lấn và thuận tiện cho bệnh nhân và người chăm sóc. Lớp sừng là tuyến phòng thủ đầu tiên của cơ thể, giữ nước và bảo vệ cơ thể khỏi các tác nhân gây bệnh. Điều này làm cho thuốc xuyên davận chuyểnthách thức. Các miếng dán xuyên da có chứa vật liệu thẩm thấu hóa học có thể liên quan đến dị ứng da, viêm và kích ứng, và những điều này ảnh hưởng đến việc tuân thủ dùng thuốc. [12]
Các mảng được tạo thành từ hàng trăm kim siêu nhỏ có thể xuyên qua lớp sừng và đưa thuốc qua da và trong da một cách không đau, bao gồm các phân tử nhỏ, protein, peptide, hormone, vật liệu di truyền và vắc-xin. Các phương pháp tiếp cận bao gồm: [1, 3, 13]
• Có thể sử dụng các kim siêu nhỏ làm bằng silicon, kim loại, thủy tinh, gốm hoặc polyme để đâm xuyên qua lớp sừng nhằm cải thiện khả năng hấp thụ qua da thông qua miếng dán.
Các vi kim rắn được phủ thuốc cho phép thuốc hòa tan vào da.
• Các kim siêu nhỏ làm từ carbohydrate hoặc polymer kết hợp thuốc và phân hủy sau khi được đưa vào, cho phép thuốc thẩm thấu qua da.
• Các kim siêu nhỏ rỗng, làm bằng silicon, kim loại hoặc thủy tinh, hoạt động như một đường dẫn, đưa thuốc từ bể chứa.
• Các kim siêu nhỏ hydrogel đâm xuyên qua da và nở ra, giải phóng thuốc.
Ứng dụng MEMS: Đưa thuốc vào mắt
Giống như não, mắt được bảo vệ bằng các rào cản sinh học và việc đưa thuốc vào cơ thể là một thách thức. Một thiết bị ex vivo được vận hành bằng từ trường bên ngoài có khả năng đưa thuốc vào củng mạc, màng mạch và võng mạc. [14] Kim siêu nhỏ cũng có khả năng đưa thuốc vào mắt. Các phương pháp được nghiên cứu bao gồm miếng dán dưới dạng kính áp tròng có kim hòa tan mang thuốc, kim đông lạnh kháng sinh để điều trị nhiễm trùng do vi khuẩn và kim siêu nhỏ chứa hạt nano để đưa thuốc vào phía sau mắt, được tạo điều kiện thuận lợi bằng phương pháp điện di ion. [13]
Tài liệu tham khảo
1. Cobo, A., R. Sheybani, và E. Meng, MEMS: Hệ thống phân phối thuốc được kích hoạt. Adv Healthc Mater, 2015. 4(7): p. 969-82.
2. Mendoza, LAV, et al., Những tiến bộ gần đây trong các thiết bị vi cơ điện tử cho các ứng dụng giải phóng thuốc có kiểm soát. Front Bioeng Biotechnol, 2020. 8: tr. 827.
3. Lee, HJ, et al., Thiết bị MEMS để phân phối thuốc. Adv Drug Deliv Rev, 2018. 128: p. 132-147.
4. Pandey, Y. và SP Singh, Những tiến bộ gần đây trong Bio-MEMS và khả năng trong tương lai: Tổng quan. Tạp chí của Viện Kỹ sư (Ấn Độ): Loạt B, 2023. 104: tr. 1377-1388.
5. Chircov, C. và AM Grumezescu, Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) cho các ứng dụng y sinh. Micromachines (Basel), 2022. 13(2).
6. Mishra, A., Emerging Market Trends For Drug Delivery Devices. Drug Delivery Leader, ngày 5 tháng 10 năm 2023. Có tại: https://www.drugdeliveryleader.com/doc/emerging-market-trends-for-drug-delivery-devices-0001.
7. Tian, M., Z. Ma, và GZ Yang, Hệ thống vi mô/nano để đưa thuốc có thể kiểm soát đến não. Innovation (Camb), 2024. 5(1): tr. 100548.
8. Villarruel Mendoza, LA, et al., Những tiến bộ gần đây trong các thiết bị vi cơ điện tử cho các ứng dụng giải phóng thuốc có kiểm soát. Front Bioeng Biotechnol, 2020. 8: tr. 827.
9. Yoon, Y., et al., Hệ thống thăm dò thần kinh cho dược lý thần kinh hành vi bằng cách cung cấp thuốc không dây hai chiều và điện sinh lý ở chuột tương tác xã hội. Nat Commun, 2022. 13(1): p. 5521.
10. Saxena, V., DNAtrix ký thỏa thuận sử dụng nền tảng MEMS của Alcyone để đưa thuốc trực tiếp vào glioblastoma. Fierce Pharma, ngày 26 tháng 5 năm 2015. Có tại: https://www.fiercepharma.com/drug-delivery/dnatrix-signs-agreement-to-utilize-alcyone-s-mems-platform-for-direct-drug-delivery.
11. Cicha, I., et al., Hệ thống phân phối thuốc tích hợp cảm biến sinh học như vật liệu mới cho các ứng dụng y sinh. Phân tử sinh học, 2022. 12(9).
12. Murphrey, MB, JH Miao và PM Zito, Mô học, Lớp sừng, trong StatPearls. 2024: Đảo giấu vàng (FL).
13. Umeyor, CE, et al., Microneedles sinh học mô phỏng: khám phá những tiến bộ gần đây về hệ thống vi chế tạo để phân phối chính xác thuốc, peptide và protein. Future Journal of Pharmaceutical Sciences, 2023. 9: tr. 103.
14. Pirmoradi, FN, et al., Kiểm soát việc phân phối thuốc chống hình thành mạch máu mới vào mô mắt người bằng thiết bị Mems. Hội nghị quốc tế lần thứ 26 về hệ thống vi điện tử cơ học (Micro Electro Mech Syst MEMS) của IEEE năm 2013 (2013), 2013. 2013.