口服給藥是最常見、最經濟，且最實用的給藥方式，然而，包括核酸（DNA、RNA）和蛋白質在內的生物大分子藥物雖然可以有效治療多種疾病，但它們卻受到了胃腸道降解和吸收不良的限制，因此，難以口服給藥。早在1922年，班廷就開始通過胰島素來治療糖尿病，這一方法拯救了無數糖尿病患者，班廷也因此獲得了諾貝爾獎。但胰島素作為一種蛋白質大分子，其口服的生物利用度不足1%，因此必須通過注射的方式給藥，這對于數以百萬計的2型糖尿病患者來說，每天打針是一件很麻煩且痛苦的事情。近日，麻省理工學院的 Giovanni Traverso、Robert Langer 等人在 Science 子刊 Science Robotics 上發表了題為：RoboCap: Robotic mucus-clearing capsule for enhanced drug delivery in the gastrointestinal tract 的研究論文【1】。

研究團隊開發了一種機器人藥物膠囊——RoboCap，口服該機器人藥物膠囊后，膠囊的凝膠涂層首先在胃中溶解，然后，小腸的環境會激活 RoboCap，其攜帶的機器帽會振動和旋轉并穿過黏液屏障，將膠囊中攜帶的藥物沉積在小腸，促進腸內壁細胞對藥物的吸收。
研究團隊還在臨床前模型中測試了 RoboCap 遞送胰島素和萬古霉素（Vancomycin）的效果（萬古霉素是一種治療嚴重耐藥菌感染的抗生素，通常需要靜脈注射給藥）。在豬模型實驗中，RoboCap 將胰島素和萬古霉素（Vancomycin）的藥物滲透性提高了10倍以上，生物利用度提高了20-40倍。因此，RoboCap 可以克服胃腸道環境的許多挑戰，有望實現多種生物大分子藥物的口服給藥。

麻省理工學院（MIT）的 Robert Langer、Giovanni Traverso 團隊一直致力于開發生物大分子藥物的口服給藥方法。

Robert Langer（左）、Giovanni Traverso（右）早在2019年2月，他們就在 Science 發表論文【2】，開發了一種小型機器膠囊，這種膠囊能夠通過口服到達胃部后向胃壁注射胰島素，從而降低血糖。這種膠囊以豹龜的外形為靈感，能夠自我糾正方向，保證將藥物準確注射到胃壁。
在膠囊內，針頭連接到壓縮彈簧上，壓縮彈簧由糖制成的圓盤固定就位。當吞咽膠囊時，胃中的水溶解糖圓盤，釋放彈簧并將針注射到胃壁中。由于胃壁沒有疼痛感受器，因此患者無法感受到注射帶來的疼痛。

2022年1月，Robert Langer、Giovanni Traverso 團隊在 Matter 期刊發表論文【3】。將這種膠囊用來遞送 mRNA 疫苗，實現了核酸大分子的口服給藥。

在這篇 Science Robotics 論文 ，Robert Langer、Giovanni Traverso 團隊想到了創造一種保護性膠囊的方法，這種膠囊的外層在消化道中溶解，然后可以在胃腸道粘液中旋轉前進，將攜帶的藥物直接沉積在上皮細胞。

研究團隊最終開發出了這款名為 RoboCap 的機器人藥物膠囊，約為復合維生素片的大小，膠囊表面涂有明膠，可調節其在特定pH值下溶解，還能防止口服時的磨損或不適感。該膠囊一端的小儲藥庫中攜帶藥物，當表面涂層溶解時，pH值的變化會觸發膠囊內的一個微型馬達開始旋轉。這種旋轉運動既有助于前進，還能刷掉粘液。

研究團隊在臨床前模型中測試了 RoboCap 遞送胰島素和萬古霉素（Vancomycin）的效果。全世界數以百萬計的2型糖尿病患者需要每天使用胰島素治療，其口服的生物利用度不足1%，因此必須通過注射給藥。萬古霉素是一種糖肽類抗生素，用于治療嚴重耐藥的革蘭氏陽性細菌感染，其口服的生物利用度僅為0.069%-4%，必須通過靜脈注射給藥，還需要昂貴的住院費用。
實驗結果顯示，與標準口服給藥相比，RoboCap 遞送的萬古霉素和胰島素在體外和體內豬模型中的生物利用度提高了20-40倍。值得一提的是，與皮下注射或靜脈注射相比，RoboCap 遞送的胰島素緩釋效果更好，這對于一些需要逐步或持續釋放的藥物來說，是個很好的優勢。
藥物從 RoboCap 中釋放出來后，RoboCap 本身可以自行通過消化道排出體外。體內研究顯示，RoboCap 在通過消化道的過程中沒有出現炎癥或刺激的跡象，而且，RoboCap 影響的粘液層會在幾個小時后恢復。
研究團隊表示，RoboCap 與其他藥物遞送載體（例如脂質體、納米顆粒）不同，RoboCap 不存在生物相容性的問題，因為整個膠囊保持封閉狀態，并能夠在藥物遞送后排出人體。他們在論文中總結道：生物大分子藥物通常需要更繁瑣且昂貴的方法給藥，例如皮下注射、靜脈注射，甚至是住院治療。正如在胰島素遞送的案例中顯示的那樣，RoboCap 讓口服生物大分子藥物的吸收達到治療水平成為可能。
論文的通訊作者 Giovanni Traverso 表示，肽類和蛋白質是重要的藥物類型，但胃腸道的降解環境和不良吸收限制了這類藥物的口服潛力。而 RoboCap 能夠通過振動、旋轉等方式清除和穿過胃腸道黏液屏障，幫助藥物到達所需的位置，并最大限度地在局部區域分散藥物，增強大分子或小分子藥物的吸收。
該研究中使用的 RoboCap 是在小腸中釋放藥物，但需要指出的是，RoboCap 可以通過改變明膠涂層溶解的pH值來靶向胃或結腸等部位。研究團隊還計劃探索使用 RoboCap 遞送其他蛋白質藥物的可能性，例如用于治療2型糖尿病的 GLP1 受體激動劑。此外，這種膠囊還可以用來實現治療潰瘍性結腸炎和其他炎癥的局部給藥，通過最大化組織中藥物的局部濃度來幫助治療炎癥。