新研發的一氧化碳泡沫可被輸送到胃腸道以對抗結腸炎和其他疾病

一氧化碳作為一種潛在的致命氣體也許是最有名的。然而,在小劑量的情況下,它實際上具有治病的能力,它已被證明能減少炎症,並能幫助刺激組織再生。一個科學家團隊現在已經設計出一種新的方法,將一氧化碳輸送到體內,同時繞過其潛在的有害影響。

受分子美食技術的啟發,他們能夠將一氧化碳融入穩定的泡沫中,並將其輸送到消化道中。這項研究由來自麻省理工學院、布萊根婦女醫院、愛荷華大學和貝斯以色列女執事醫療中心的研究人員領導。

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在對小鼠進行的研究中,科學家們表明,這些泡沫減少了結腸的炎症,並有助於扭轉由對乙酰氨基酚過量引起的急性肝衰竭。據作者稱,2022年6月29日在《科學轉化醫學》論文中描述的這項新技術也可用於輸送其他治療性氣體。

“輸送氣體的能力為我們思考治療方法提供了全新的機會。”麻省理工學院機械工程系的卡爾-范塔塞爾職業發展助理教授、布萊根婦女醫院的胃腸病學家喬瓦尼-特拉弗羅說:”我們通常不認為氣體是一種你會口服的治療方法(或可以直腸給葯),所以這提供了一種令人興奮的新方法來思考我們如何能夠幫助病人。

Traverso和哈佛醫學院和貝斯以色列女執事醫療中心的外科教授Leo Otterbein是該論文的資深作者。主要作者是愛荷華大學的醫生科學家和放射腫瘤學家James Byrne(曾是麻省總醫院布里格姆/丹娜法伯放射腫瘤學項目的住院醫生),以及麻省理工學院科赫綜合癌症研究所的研究人員;貝斯以色列女執事醫院的研究員David Gallo;以及布里格姆婦女醫院的研究工程師Hannah Boyce。

用泡沫協助分娩

自20世紀90年代末以來,奧特貝恩一直在研究低劑量一氧化碳的治療效果。這種氣體已被證明在防止移植器官的排斥反應、減少腫瘤生長以及調節炎症和急性組織損傷方面具有有益作用。

當高濃度吸入時,一氧化碳與血液中的血紅蛋白結合,阻止身體獲得足夠的氧氣,這可能導致嚴重的健康影響,甚至死亡。然而,在較低的劑量下,它具有有益的影響,如減少炎症和促進組織再生,Otterbein說。

他說:”我們多年來一直知道,一氧化碳作為一種吸入性氣體,可以在各種疾病病理中產生有益的影響。然而,在臨床上使用它一直是一個挑戰,原因是與安全和可重複的給葯有關的一些原因,以及醫護人員的擔憂,這導致人們想要找到其他的給藥方式。”

幾年前,Traverso和Otterbein由Christoph Steiger介紹,他是麻省理工學院的前博士后,也是這項新研究的作者之一。Traverso的實驗室專門開發向胃腸道輸送藥物的新方法。為了解決輸送氣體的挑戰,他們想出了將氣體融入泡沫的想法,就像廚師用二氧化碳製造注入水果、蔬菜或其他味道的泡沫那樣。

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研究小組還設計了融入小氣泡氣體的固體材料。資料來源:特拉弗羅實驗室

烹飪用的泡沫通常是通過向液體或已被搗碎的固體添加增稠劑或膠凝劑,然後通過鞭打使其加入空氣,或使用專門的虹吸管注入二氧化碳或壓縮空氣等氣體而產生的。

麻省理工學院的團隊創造了一種改良的虹吸管,可以連接到任何種類的氣體罐上,使他們能夠將一氧化碳納入他們的泡沫中。為了製造泡沫,他們使用了食品添加劑,如海藻酸鹽、甲基纖維素和麥芽糊精。還加入了黃原膠以穩定泡沫。通過改變黃原膠的量,研究人員可以控制一旦泡沫被施用,氣體釋放的時間。

在證明他們可以控制氣體在體內釋放的時間后,研究人員決定測試泡沫的幾個不同應用。首先,他們研究了兩種類型的局部應用,類似於使用藥膏來舒緩瘙癢或發炎的部位。在對小鼠的研究中,他們發現通過直腸輸送泡沫可以減少由結腸炎或輻射引起的直腸炎(宮頸癌或前列腺癌的放射治療可能引起的直腸炎症)。

目前對結腸炎和其他炎症如克羅恩病的治療通常涉及抑制免疫系統的藥物,這可能使患者更容易受到感染。研究人員說,用一種可直接應用於發炎組織的泡沫來治療這些疾病,為這些免疫抑制性治療提供了一種潛在的替代或補充方法。研究人員說,雖然這項研究中的泡沫是通過直腸給葯,但也有可能通過口服給葯。這些泡沫非常容易使用,這將有助於轉化為病人護理。

控制劑量

研究人員隨後着手調查可能的系統性應用,其中一氧化碳可以被輸送到遠程器官,如肝臟,因為它能夠從消化道擴散到身體的其他地方。在這項研究中,他們使用了一個對乙酰氨基酚過量的小鼠模型,該模型會導致嚴重的肝臟損傷。他們發現,輸送到下消化道的氣體能夠到達肝臟,並大大減少那裡的炎症和組織損傷的數量。

在這些實驗中,研究人員沒有發現一氧化碳給葯后的任何不利影響。以前對人類的研究表明,少量的一氧化碳可以被安全吸入。一個健康人血液中的一氧化碳濃度約為1%,對人類志願者的研究表明,高達14%的濃度可以被耐受而沒有不良影響。

“我們認為,在這項研究中使用的泡沫,我們甚至沒有接近我們會擔心的水平,”Otterbein說。”我們從吸入式氣體試驗中所學到的東西已經鋪就了一條道路,說它是安全的,只要你知道並能控制你的給藥量,就像任何藥物。這是這種方法的另一個好的方面–我們已經可以準確控制劑量。”

在這項研究中,研究人員還創造了含有一氧化碳的凝膠,以及充滿氣體的固體,使用的技術類似於用於製造跳跳糖的技術,跳跳糖是一種含有加壓的二氧化碳氣泡的硬糖。他們計劃在進一步的研究中測試這些產品,此外還將開發可能在人類患者身上進行測試的泡沫。